منذ مئات الملايين من السنين كان لدى أسلاف جميع الحيوانات البرية ذات العمود الفقري والأطراف الأربعة هذه القدرة على تنفس الماء، ولكنها ضاعت بعد أن بدأت الحيوانات التي تتنفس الهواء تعيش على الأرض بدوام كامل، ولكن كيف تتنفس الحيوانات تحت الماء؟ هناك الكثير من الأكسجين المذاب في معظم بحار الكوكب وبحيراته وأنهاره على الرغم من أن رئتينا التي تتنفس الهواء لا تستطيعان معالجته، وقال الخبراء إن سكان المياه من الحيوانات في العالم قد طوروا عدة طرق أخرى للوصول إلى الأكسجين في الماء.
تمتص بعض الحيوانات مثل قنديل البحر الأكسجين الموجود في الماء مباشرة من خلال جلدها، وقالت ريبيكا هيلم، الأستاذة المساعدة في جامعة نورث كارولينا، أشفيل، إن تجويف الأوعية الدموية داخل أجسامها يخدم غرضا مزدوجا من هضم الطعام وتحريك الأكسجين وثاني أكسيد الكربون.
في الواقع، كانت الأشكال الأولى للحياة الميكروبية على الأرض التي استخدمت الأكسجين تحصل عليه بنفس الطريقة التي حصل عليها الهلام من خلال الإنتشار، ومن المحتمل أن هذا النوع من التنفس ظهر منذ حوالي 2.8 مليار سنة في وقت ما بعد أن بدأت البكتيريا الزرقاء في ضخ الأكسجين في الغلاف الجوي، وفقا لعالم المحيط جولي بيروالد، ووأضاف بيروالد، إن التنفس أبطأ بكثير من استخدام جهاز الدورة الدموية لجلب الأكسجين إلى مناطق بعيدة من الجسم، وربما يعني ذلك أن هناك حدا لكيفية نمو قناديل البحر الكبيرة.
يوجد التنفس من خلال انتشار الأكسجين على سطح الجسم أيضا في بعض الحيوانات البحرية مثل شوكيات الجلد وهي مجموعة من الحيوانات البحرية التي تشمل نجم البحر وقنافذ البحر وخيار البحر، حيث تمتص نجوم البحر الأكسجين عندما يتدفق الماء فوق نتوءات على جلدهم تسمى الحطاطات، ومن خلال الأخاديد في الهياكل الأخرى التي تسمى الأقدام الأنبوبية، قال عالم الحيوان اللافقاري كريستوفر ماه، الباحث في متحف سميثسونيان الوطني للتاريخ الطبيعي في واشنطن العاصمة.
ومع ذلك، فإن بعض أنواع خيار البحر في المياه الضحلة لها نوع مختلف من التكيف المتخصص للتنفس، مثل هيكل شجري تنفسي يقع في تجويف الجسم بالقرب من فتحة الشرج، ونظرا لأن فتحة المستقيم في خيار البحر تمتص الماء في الجسم فإن الجهاز الشجري التنفسي يستخرج الأكسجين ويطرد ثاني أكسيد الكربون، وقال ماه، إن خيار البحر تتنفس من مؤخرتها حرفيا.
في الأسماك، أثبتت الخياشيم أنها نظام ناجح للتنفس، بإستخدام شبكة من الأوعية الدموية لسحب الأكسجين من المياه المتدفقة ونشره عبر أغشية الخياشيم، وفقا لمركز شمال شرق مصايد الأسماك، وقال سولومون ديفيد، الأستاذ المساعد بقسم العلوم البيولوجية في جامعة ولاية نيكولز في لويزيانا، إن لدى معظم الأسماك نفس المخطط الأساسي.
قال ديفيد، لقد صنعوا هذا التبادل المعاكس للغاز يسحبون الأكسجين ويطلقون النفايات، وعندما تفتح الأسماك أفواهها، فإنها تخلق تيارا من الماء يتدفق على خياشيمها، وقال إن الأنسجة المحمرة وذات الأوعية الدموية العالية تمتص الأكسجين وتطرد ثاني أكسيد الكربون، وهو نوع من الشعيرات الدموية في الحويصلات الهوائية لدينا.
ومع ذلك، فإن الخياشيم ليست مقاسا واحدا يناسب الجميع، فيمكن أن يختلف هيكل الخياشيم في الحيوانات البحرية بين الأنواع لتناسب احتياجاتها من الأكسجين، وفقا لديفيد، وعلى سبيل المثال، ستختلف خياشيم التونة سريعة السباحة إلى حد ما عن تلك الموجودة في الأسماك التي تعتبر مفترسا منتظرا مثل غار التمساح، وقال ديفيد، إذا كنت مفترسا نشطا يتنقل طوال الوقت، فستكون لديك خياشيم مختلفة لزيادة متطلبات الأكسجين.
وأضاف أن شكل الخياشيم يمكن أن يختلف بين الحيوانات البحرية من نفس النوع اعتمادا على ظروف الأكسجين في الماء الذي يعيشون فيه، وأظهرت الدراسات أن الأسماك يمكن أن تتكيف مع مورفولوجيا الخياشيم عندما تصبح موائلها المائية ملوثة، وبمرور الوقت، تصبح الخيوط الخيشومية لدى الحيوانات البحرية أكثر تكثفا لمقاومة الملوثات في الماء.
تحتوي بعض الحيوانات من البرمائيات المائية أيضا على خياشيم أو هياكل متفرعة تمتد إلى الخارج من رؤوسها، وهذه سمة اليرقات في البرمائيات التي تختفي نظرا لأن معظم الأنواع تنضج، ولكن السمندل المائي مثل صفارات الإنذار يحتفظ بهذه الخياشيم الخارجية في مرحلة البلوغ، هكذا قالت كيرستن هيشت، عالمة البيئة المائية في كلية الموارد الطبيعية والبيئة في جامعة فلوريدا، ويوجد مجموعة من الأسماك الرئوية التي تتنفس الهواء والماء باستخدام مثانة سباحة معدلة، ولها أيضا خياشيم خارجية عندما تكون صغيرة، ولكن جميع أنواع الأسماك الرئوية تقريبا تفقدها قبل سن البلوغ كما قال هيشت.
