Hundratals miljoner år sedan, mycket, mycket avlägsna förfäder till människor - och av alla landdjur med ryggraden och fyra lemmar - hade denna vattenandningsförmåga, men den förlorades efter att de första luftandnande varelserna började leva på land på heltid . Idag kan människor bara andas in vatten med specialutrustning - eller i filmer som "Aquaman" (Warner Bros. Pictures), om serietidkaraktärer med unika undervattensförmågor.
Serietidningar förklarar på sikt hur filmens halvmänskliga, halvatlantiska hybrid Aquaman (Jason Momoa) och alla hans mänskliga snygga atlantiska kusiner kan andas in havsdjupet - "gälar" nämns, även om de inte är synliga, och detaljerna lämnas åt tittarens fantasi. Men hur exakt andas varelser från verkligheten i sina vattniga miljöer?
När det händer finns det massor av upplöst syre i de flesta av planetens hav, sjöar och floder, även om våra luftandnande lungor helt enkelt inte kan bearbeta det. Men världens vattenbor har utvecklat flera andra metoder för att få tillgång till syre i vatten, sa experter till Live Science.
En gammal teknik
Vissa djur som maneter absorberar syre i vatten direkt genom huden. En gastrovaskulär kavitet inuti deras kroppar tjänar ett dubbelt syfte: att smälta mat och flytta syre och koldioxid runt, berättade Rebecca Helm, biträdande professor vid University of North Carolina, Asheville, till Live Science.
I själva verket erhöll jordens tidigaste former av mikrobiellt liv som använde syre det på samma sätt som geléer - genom diffusion. Denna form av andning förekom troligen för cirka 2,8 miljarder år sedan, "någon gång efter att cyanobakterier började pumpa syre i atmosfären", enligt havsforskaren Juli Berwald, författare till "Spineless: The Science of Jellyfish and the Art of Growing a Backbone" (Riverhead Böcker, 2017).
"Eftersom de bara har ett yttre cellskikt och ett inre cellskikt och deras insidor är gelé och inte har celler, behöver de inte lika mycket syre som djur som har faktiska vävnader på insidan," berättade Berwald till Live Science i en email.
Men det finns också nackdelar med att "andas" genom diffusion.
"Det är mycket långsammare än att använda ett cirkulationssystem för att få syre till kroppens långa sträckor. Det betyder förmodligen att det finns en gräns för hur stora maneter kan växa," tillade Berwald.
Bakdörrmetod
Andning genom syrediffusion över kroppsytan återfinns också i hästdjur - en grupp av marina djur som inkluderar sjöstjärnor, sjöstjärnor, sjöborrar och havsgurkor.
Havsstjärnor absorberar syre när vatten rinner över bulor på deras hud som kallas papulae, och genom spår i andra strukturer som kallas rörfötter, berättade den ryggradslösa zoologen Christopher Mah, en forskare vid Smithsonian National Museum of Natural History i Washington, D.C., till Live Science.
Vissa typer av havsgurkor med grunt vatten har emellertid en annan typ av specialiserad anpassning för andning: en andningsstruktur "träd" som ligger i kroppshåligheten nära anus. När gurkans rektala öppning suger vatten in i kroppen, extraherar andningsträdet syre och utvisar koldioxid.
"Det andas bokstavligen ur röven," sa Mah.
En "grundläggande plan"
I fiskar har gälar visat sig vara ett framgångsrikt system för andning genom att använda ett nätverk av blodkärl för att hämta in syre från strömmande vatten och sprida det genom gällande membran, enligt Northeast Fisheries Science Center.
På de flesta fiskar har gälarna "samma grundläggande ritning", berättade Solomon David, lektor vid Institutionen för biologiska vetenskaper vid Nicholls State University i Louisiana, Live Science.
"De är gjorda för att ha detta motströmsutbyte av gas - dra ut syre och släppa avfall," sa David. När fisken klistrar i munnen skapar de en ström av vatten som strömmar över sina gälar. Rödaktig, mycket vaskulariserad vävnad suger ut syre och utvisar koldioxid, "typ av liknande kapillärer i våra alveoler," sade han.
Gälar är dock inte exakt alla-i-storlek. Deras struktur kan variera mellan arter för att passa deras syrebehov, enligt David. Gälvarna till en snabb simning tonfisk, till exempel, kommer att variera något från de av en fisk som är ett lögn-och-vänta rovdjur, såsom en alligator gar.
"Om du är en aktiv rovdjur som är på språng hela tiden, kommer du att ha olika gälar för högre syrebehov," sade David.
Gillformen kan till och med variera mellan individer av samma art, beroende på syreförhållandena i vattnet där de bor, tillade han. Studier har visat att fisk kan anpassa sin gällande morfologi när deras vattniga livsmiljö förorenas; med tiden blir deras gällande filament mer kondenserade för att motstå föroreningar i vattnet.
En del vattenlevande amfibier har också gälar - grenstrukturer som sträcker sig utåt från huvudet. Detta är ett larvsteg hos amfibier som försvinner när de flesta arter mognar, men vattenlevande salamandrar som sirener behåller dessa yttre gälar i vuxen ålder, berättade Kirsten Hecht, en vattenlevande ekolog vid School of Natural Resources and Environment vid University of Florida, Live Science in en email.
Lungfish - en grupp fiskar som andas in luft och vatten med en modifierad badblåsa - har också yttre gälar när de är unga, "men nästan alla lungfiskarter förlorar dem innan de når vuxen ålder," sade Hecht.
Originalartikel om Levande vetenskap.
