Газообмін відкрита біологія
Для забезпечення життєдіяльності між організмом і навколишнім середовищем повинен безперервно відбуватися газообмін. Аеробні організми в результаті дифузії поглинають кисень (з води, в якій він розчинений, або з атмосфери) і виділяють вуглекислоту. Дихальна поверхня, на якій відбувається газообмін, повинна бути:
- проникною для O2 і CO2;
- тонкої - дифузія ефективна тільки на невеликих відстанях;
- вологою - ці гази дифундують в розчині;
- великий - для підтримки достатньої швидкості газообміну.
Інтенсивність метаболізму рослин невисока, кисню їм потрібно порівняно небагато. Газообмін здійснюється шляхом дифузії газів через всю поверхню; у великих рослин для цих цілей служать продихи листя і тріщини в корі. Клітини, що містять хлорофіл. можуть споживати для дихання тільки що вироблений ними кисень.
У одноклітинних тварин газообмін відбувається через клітинну мембрану. Найбільш примітивні багатоклітинні - кишковопорожнинні. плоскі черви - також забезпечують свої потреби в кисні, поглинаючи його кожною клітиною, що знаходиться в контакті з середовищем.
У більш складних організмів з'являється велика кількість клітин, що не контактують з середовищем, і проста дифузія стає неефективною. Необхідна спеціальна дихальна система, яка буде ефективно поглинати кисень і виділяти вуглекислоту. Як правило, ця система виявляється пов'язаної з кровоносною системою. забезпечує доставку кисню тканинам і клітинам. Розчинність кисню в крові становить 0,2 мл на 100 мл крові, однак наявність дихальних пігментів здатне в десятки і сотні разів збільшити ефективність цього процесу. Найбільш відомим дихальним пігментом є гемоглобін.
Деякі кільчасті черви
Деякі дихальні пігменти
Розглянемо деякі найбільш типові дихальні системи.
У тіло комах повітря потрапляє через спеціальні отвори - дихальця. Вони відкриваються в повітряні порожнини, від яких відходять особливі трубочки - трахеї. Трахеї укріплені хітином і завжди залишаються відкритими. У кожному сегменті тіла вони розгалужуються на численні дрібні трубочки - трахеоли, через які кисень надходить прямо до тканин; необхідності в його транспортування кров'ю немає. Трахеоли заповнені водянистою рідиною, через неї дифундують кисень і вуглекислота. При активній роботі м'язів рідина всмоктується в тканини, і кисень потрапляє безпосередньо до клітин вже в газоподібному стані. Трахейная система дихання дуже ефективна, проте наявність в дихальної ланцюга процесу дифузії обмежує розміри комахи (точніше, його товщину).
Дихальна система комах Зябра риб
Газообмін у риб відбувається за допомогою спеціальних дихальних органів - зябер. Кожна жабра підтримується вертикальним хрящём - зябрової дугою. У кісткових риб жаберная дуга складається з кісткової тканини. Від перегородки, що лежить над зябрової дугою, відходить ряд горизонтальних складок - зябрових пелюсток, на кожному з яких утворюються вертикальні вторинні пелюстки. Вільні краї зябрових перегородок витягнуті і працюють як відкидні клапани. Коли дно ротової порожнини і глотки опускається, тиск в них зменшується, і в зябра через рот і бризгальца спрямовується вода. Клапан при цьому запобігає потраплянню в зябра води з іншого боку. Численні капіляри, пронизують зябра, насичуються тут киснем і об'єднуються в зяброві артерії, що виносять з зябер багату на кисень кров. Відзначимо, що дихальна система кісткових риб досконаліша, ніж у риб хрящових, так як у кісткових риб зябра мають більшу площу поверхні, а рух крові назустріч току води забезпечує більш ефективний обмін газів.
Дихальна система земноводних дихальна система птахів
Амфібії отримують кисень трьома способами: через шкіру, рот і легені. При шкірному і ротової диханні газ поглинається вологим епітелієм, що вистилає шкіру або ротову порожнину. Помітні оку руху горла жаби - це саме ротовий подих. Вступник в рот повітря може також через гортань, трахею і бронхи потрапляти в легені. Легкі у жаби є пару порожніх мішків, стінки яких утворюють численні складки, пронизані кровоносними капілярами. В результаті м'язових скорочень відбувається вдих і видих, легкі наповнюються повітрям, кисень з нього надходить в кров.
У вищих форм хребетних шкірне дихання відсутнє, основним дихальним органом стають легкі. Вони мають набагато більшу кількість складок, ніж легкі амфібій. У птахів з'явилися також повітряні мішки, завдяки яким через легені і під час вдиху, і під час видиху проходить багате киснем повітря; це збільшує ефективність газообміну.
Дихальна система ссавців
У ссавців повітря надходить всередину через ніздрі; невеликі волоски затримують сторонні частинки, а ресничний епітелій, яким вистелені носові ходи, зволожує повітря, прогріває його, а також вловлює частинки, яким вдалося прослизнути через волоски. З носа повітря потрапляє в глотку, а потім у гортань. Хрящової клапан (надгортанник) захищає дихальні шляхи від потрапляння в них їжі. У порожнині гортані знаходяться голосові зв'язки; коли повітря, що видихається проходить крізь голосову щілину, виникають звукові хвилі. Зі зміною натягу зв'язок змінюється висота видаваного звуку.
З гортані повітря потрапляє в трубковидную трахею. Її стінки покриті війковим епітелієм, яке збирає потрапили в трахею порошинки і мікроби. Стінки трахеї (так само, як і гортані) виконані з хрящової тканини, за рахунок цього вона не опадає при вдиху. На нижньому кінці трахея розгалужується на два бронхи. Бронхи поділяються на більш тонкі бронхіоли; у самих маленьких з них (діаметром 1 мм і менше) хрящова тканина відсутня. Бронхіоли розгалужуються, в свою чергу, на численні альвеолярні ходи, що закінчуються мішечками, покритими сполучною тканиною, - альвеолами. У легенях ссавця можуть бути сотні мільйонів альвеол, загальна площа їх поверхні така, що ними можна покрити ціле футбольне поле. Товщина стінки альвеоли становить всього 0,0001 мм. Зовнішня сторона альвеол покрита густою мережею кровоносних капілярів. Поглинаючись вологим епітелієм, кисень дифундує в плазму крові і там з'єднується з гемоглобіном. Вуглекислий газ дифундує в зворотному напрямку. Діаметр капілярів менше діаметра еритроцитів; це забезпечує тісне зіткнення еритроцитів з поверхнею альвеол.
Легкі відокремлені від стінок грудної клітки плевральної порожниною. Вона непроникна для повітря; тиск в ній на 3-4 мм рт. ст. нижче, ніж в легенях, за рахунок чого останні заповнюють майже всю грудну клітку. Вентиляція легенів здійснюється завдяки одночасного скорочення діафрагми і зовнішніх міжреберних м'язів. Обсяг грудної клітини збільшується, тиск зменшується, і повітря надходить всередину. У процесі видиху діафрагма і зовнішні м'язи повертаються в попереднє положення, а внутрішні міжреберні м'язи скорочуються. Грудна клітка стає менше і повітря виштовхується з легких. При великих фізичних навантаженнях видих стає більш активним і вимагає додаткових витрат енергії.
При недостатній насиченості повітря киснем (наприклад, високо в горах) починається гіпоксія, що виявляється в нездужанні і почутті сильної втоми. Згодом дихальна система може пристосуватися до невеликому вмісту кисню - в таких випадках кажуть, що організм акліматизувався в нових умовах.
Ссавці, здатні довгий час залишатися під водою (кити. Тюлені), при пірнанні рефлекторно зменшують частоту серцевих скорочень, їх кровоносні канали звужуються, і кров'ю забезпечуються тільки найважливіші для життя органи. Перший вдих після виринання служить сигналом для збільшення частоти серцевих скорочень.