Організація дихання тварин.Газообмін у різних груп тварин. Дихання в різних умовах.

Суть газообміну полягає в надходженні із зовнішнього середовища кисню (02) і виділенні в довкілля певної суміші газів, зокрема вуглекислого (С02). Оксиген (О) є одним з елементів, які беруть участь у багатьох хімічних реакціях, що відбуваються всередині клітин. Отже, обмін речовин є важливою ланкою процесів обміну речовин та енергії є процеси дихання.
Пригадайте, в одноклітинних організмів, що мешкають у водному середовищі, газообмін відбувається через поверхню клітини. У більшості багатоклітинних тварин процес дихання складається з декількох етапів. Кисень через шкірні покриви та/або через органи дихання надходить в організм. Далі поширюється по ньому з порожнинною рідиною та/або з кров'ю. Наступний етап — надходження кисню в клітини. Там він окис-нює органічні речовини, унаслідок чого виділяється необхідна організму енергія. Важлива роль у цих процесах належить органелам клітини — мі-тохондріям. У них утворюються особливі сполуки (скорочено їх позначають АТФ), здатні накопичувати енергію.
У процесах окиснення органічних сполук - білків, жирів і вуглеводів -утворюються різні гази, зокрема С02, азот (N2) та ін. Вони видаляються з клітин до порожнинної рідини та/або в кров, а з ними - до органів дихання та/або покривів. Далі вони виводяться з організму назовні.
Щоб донести кисень до кожної клітини, у тварин розвинулися спеціальні пристосування, які вбирають його з повітря або води.
ЯКІ ОСОБЛИВОСТІ ГАЗООБМІНУ В БЕЗХРЕБЕТНИХ ТВАРИН?
У багатьох безхребетних немає спеціалізованих органів дихання. Так, у дощових черв'яків кисень надходить через зволожені покриви у кров, яка транспортує його по тілу (мал. 184, 1). У багатощетинкових кільчастих червів можуть утворюватись тонкостінні вирости покривів — зябра (мал. 184, 2), що забезпечують поглинання кисню з води. Кисень у зябра, так само, як і через покриви, надходить шляхом дифузії. Пригадайте: дифузія — процес проникнення молекул або атомів з ділянки, де їхня концентрація вища, туди, де їхня концентрація нижча. У водних тварин значна кількість кисню потрапляє в організм також через покриви.
У ракоподібних зябра — це тонкостінні вирости тіла або кінцівок. У павукоподібних і комах органи, які забезпечують дихання атмосферним киснем, - це трахеї та легеневі мішки.
Трахеї — розгалужені трубочки, які складаються з одношарового епітелію і вистелені кутикулою. Розгалужуючись, трахеї проникають до всіх органів і навіть клітин комах (мал. 185, 1).
Легеневі мішки (мал. 185, 2) — це мішкоподібні вип'ячування зі складчастими стінками, які відкриваються назовні вузенькими щілинами — дихальцями. За походженням це видозмінені черевні кінцівки. Кисень через дихальця потрапляє в порожнину легеневих мішків і далі через вип'ячу-ваня їхніх стінок — у гемолімфу. Легеневі мішки притаманні деяким представникам павукоподібних (наприклад, багатьом павукам). Цікаво, що більшість видів павуків мають одночасно і трахеї, і легеневі мішки. Лише один вид павуків — сріблянка -мешкає у воді (мал. 186). Цей павук трапляється й у прісних водоймах України. Залози сріблянки виділяють жироподібну речовину, яка змащує волоски черевця. Тому вони не змочуються водою і між ними накопичується повітря, що надає павуку під водою сріблястого вигляду (звідки й походить назва). На власному тілі сріблянка заносить атмосферне повітря у своє підводне гніздо дзвоноподібної форми. Це дає змогу павуку тривалий час перебувати під водою. Лише зрідка сріблянка піднімається до поверхні води, аби поповнити запаси повітря. Таким чином, цей павук, що став мешканцем водойм, усе одно дихає атмосферним повітрям.
У наземних і деяких прісноводних черевоногих молюсків органом дихання слугує легеня — видозмінена ділянка мантії, де розгалужуються кровоносні судини (мал. 185, 3).
ЯКІ ОРГАНИ ДИХАННЯ ПРИТАМАННІ ХОРДОВИМ ТВАРИНАМ? • Органи дихання риб - зябра (мал. 187) - розташовані з обох боків зябрових дуг. Ззовні кожного краю зябрової дуги є два ряди зябрових пелюсток червоного кольору. У них розгалужуються кровоносні судини і відбувається газообмін. Завдяки рухам зябрових кришок вода проходить через ротовий отвір, глотку та зяброві щілини, омиваючи зяброві пелюстки. Коли зяброві кришки повертаються у вихідне положення, вода виходить з-під них назовні. Хрящові риби зябрових кришок не мають: зяброві щілини в них відкриваються назовні самостійними отворами.
З внутрішнього боку зябрової дуги розміщені біляві зяброві тичинки, які слугують своєрідним фільтруючим апаратом. Вони запобігають потраплянню їжі та сторонніх часток з водою на зяброві пелюстки.
• Личинки амфібій дихають також зябрами, але в дорослому віці вони здебільшого дихають атмосферним киснем за допомогою легень - парних комірчастих мішків (мал. 188, 1). Парні ніздрі з клапанами ведуть до рото-глоткової порожнини, звідки повітря потрапляє до легень. Під час вдиху у тварини опускається дно ротоглоткової порожнини, яка заповнюється повітрям, що проходить через ніздрі. Потім це дно піднімається і проштовхує повітря в легені (клапани перешкоджають виходу повітря через ніздрі). Тривале перебування амфібій під водою забезпечує й ще шкірне дихання. Суха шкіра не здатна пропускати гази (як і в дощових черв'яків), тому вона постійно зволожується слизом.
• Порівняно з амфібіями легені рептилій мають складнішу будову: у них є система перетинок, які збільшують поверхню газообміну (мал. 188, 2). Крім того, дихальні шляхи складаються з послідовно з'єднаних гортані, трахеї та бронхів (в амфібій вони відсутні). Трахея розгалужується на два бронхи, що заходять до легень. У рептилій складніший і механізм дихання. Повітря надходить до легень і виходить з них завдяки скороченню міжреберних м'язів, які рухають ребра. Унаслідок цього змінюється об'єм порожнини тіла. Якщо об'єм порожнини тіла збільшується — відбувається вдих, якщо зменшується — видих.
• Особливості будови дихальної системи птахів, насамперед, спрямовані на ефективне забезпечення енергією організму птахів під час польоту та зменшення маси їхнього тіла. Дихальні шляхи починаються ніздрями, які відкриваються в носову порожнину. Звідти повітря потрапляє до верхньої гортані, що переходить у трахею, де в місці поділу на два бронхи розташовані голосові зв'язки (на відміну від інших тварин).
Легені птахів мають губчасту будову, що збільшує їхню поверхню для газообміну (мал. 188, 3). Бронхи, які входять у легені, розгалужуються, їхні головні відгалуження розширюються і поза легенями відкриваються в тонкостінні повітряні мішки, розташовані між внутрішніми органами птаха. Завдяки повітряним мішкам птахам притаманне подвійне дихання. Під час вдиху повітря проходить через легені, де кисень надходить у кров. Частина багатого на кисень повітря, минаючи легені, відразу спрямовується до задніх повітряних мішків. Під час видиху це повітря проходить через легені, де кисень знову потрапляє у кров. Отже, у птахів кисень надходить у кров як під час вдиху, так і під час видиху.
• Дихальні шляхи ссавців (мал. 188, 4) починаються носовою порожниною, куди ведуть парні ніздрі, і включають носоглотку, гортань (де розташовані голосові зв'язки), трахею та парні бронхи. Бронхи заходять у губчасті легені і розгалужуються на дрібні бронхіоли. Бронхіоли закінчуються дрібними міхурцями - альвеолами, стінки яких обплутані капілярами. Завдяки великій кількості альвеол значно збільшується поверхня легенів, через яку відбувається газообмін.
Дихальні рухи у ссавців здійснюються завдяки скороченню та розслабленню міжреберних м'язів, діафрагми та м'язів стінки черевної порожнини. Діафрагма — це м'яз, що поділяє порожнину тіла на грудну та черевну.

Дихання - сукупність фізіологічних процесів,забезпечують надходження в організм кисню і видалення діоксиду вуглецю, тобтопідтримання відносної постійності діоксиду вуглецю і кисню вальвеолярному повітрі, крові і тканинах.

Дихання включає в себе наступні фізіологічні процеси:

обмін газами між зовнішнім середовищем і сумішшю газів в альвеолах;

обмін газами між альвеолярним повітрям і газами крові;

транспорт газів кров'ю;

обмін газами між кров'ю і тканинами;

використання кисню тканинами і освіта діоксидувуглецю.

Обмін газами між зовнішнім середовищем і сумішшю газів в альвеолах.Процес обміну газами між зовнішнім середовищем і сумішшю газів в альвеолахназивається легеневої вентиляцією. Обмін газами забезпечується за рахунокдихальних рухів - актів вдиху і видиху. При вдиху відбувається збільшенняобсягу грудної клітини, зниження тиску в плевральній порожнині і, якнаслідок, надходження повітря із зовнішнього середовища в легені. При видиху об'ємгрудної клітки зменшується, тиск повітря в легенях підвищується, і вВнаслідок альвеолярний повітря витісняється з легких назовні.

Механізм вдиху і видиху. Вдих і видих відбуваються тому, щооб'єм грудної порожнини змінюється, то збільшуючись, то зменшуючись. Легені - губчастамаса, що складається з альвеол, не містить м'язової тканини. Вони не можутьскорочуватися. Дихальні рухи відбуваються за допомогою міжреберних і іншихдихальних м'язів і діафрагми.

При вдиху одночасно скорочуються зовнішні косіміжреберні м'язи та інші м'язи грудей і плечового пояса, що забезпечуєпідняття або відведення ребер, а також діафрагма, яка зміщується в бікчеревної порожнини. В результаті об'єм грудної клітки збільшується, знижуєтьсятиск в плевральній порожнині і в легенях і, як наслідок, повітря знавколишнього середовища надходить у легені. У вдихуваному повітрі міститься 20,97%кисню, 0,03% діоксиду вуглецю і 79% азоту.

При видиху одночасно скорочуються експіраторние м'язи, щозабезпечує повернення ребер в положення до вдиху. Діафрагма повертається вположення до вдиху. При цьому зменшується об'єм грудної клітки, підвищуєтьсятиск в плевральній порожнині і в легенях і частина альвеолярного повітря витісняється.У видихуваному повітрі міститься 16% кисню, 4% діоксиду вуглецю, 79% азоту.

У тварин розрізняють три типи дихання: реберний, абогрудної, - при вдиху переважає відведення ребер в сторони і вперед; діафрагмальний,або черевної, - вдих відбувається переважно за рахунок скорочення діафрагми; ребернобрюшной- Вдих за рахунок скорочення міжреберних м'язів, діафрагми і черевних м'язів.

Обмін газами між альвеолярним повітрям і газами крові. Обмінгазів в легенях між альвеолярним повітрям і кров'ю капілярів малого колакровообігу здійснюється внаслідок різниці парціального тиску цихгазів. Концентрація кисню в альвеолярному повітрі значно вище, ніж увенозної крові, що рухається по капілярах. Кисень внаслідок різниціпарціального тиску за законом дифузії легко переходить з альвеол в кров,збагачуючи її. Кров стає артеріальною. Концентрація діоксиду вуглецюнабагато вище в венозної крові, ніж в альвеолярному повітрі. Діоксид вуглецювнаслідок різниці напруги його в крові і парціального його тиску вальвеолярному повітрі за законом дифузії проникає з крові в альвеоли. Складальвеолярного повітря постійний: близько 14,5% кисню і 5,5% діоксиду вуглецю.

газообміні в легенях сприяє велика поверхня альвеолі тонкий шар мембрани з ендотеліальних клітин капілярів і плоского альвеолярногоепітелію, що розділяє газове середовище і кров. Протягом доби з альвеол в кровпереходить у корови близько 5000 л кисню і з крові в альвеолярне повітрянадходить близько 4300 л діоксиду вуглецю.

Транспорт газів кров'ю. Кисень, проникнувши в кров,з'єднується з гемоглобіном еритроцитів і у вигляді оксигемоглобінутранспортується артеріальною кров'ю до тканин. В артеріальній крові міститься16... 19 об'ємних відсотків кисню і 52... 57 об. % Діоксиду вуглецю.

Діоксид вуглецю надходить з тканин в кров, плазму і потімв еритроцити. Частина його утворює хімічну сполуку з гемоглобіном - карбогемоглобін,а інша під дією ферменту карбоангідрази, який міститься веритроцитах, утворює з'єднання - вугільну кислоту, яка швидкодисоціює на іони Н + і НСО3 ". З еритроцитів НСОз ~ надходить у плазмукрові, де з'єднується з NaCl або КС1, утворюючи солівугільної кислоти: NaHC0 3, КНС0 3. Близько2,5 об. % СО2 знаходиться в плазмі в стані фізичного розчинення. У виглядіцих сполук діоксид вуглецю транспортується венозною кров'ю від тканин долегким. У венозної крові міститься 58... 63 об. % Діоксиду вуглецю і 12 об. %кисню.

Обмін газів між кров'ю і тканинами. У тканинах кисеньзвільняється з нетривкого з'єднання з гемоглобіном еритроцитів і за закономдифузії легко проникає в клітини, так як концентрація кисню вартеріальної крові значно вище, ніж у тканинах. Тут кисень використовуєтьсяна окислення органічних сполук з утворенням діоксиду вуглецю. Концентраціядіоксиду вуглецю в тканинах зростає і стає значно вище, ніж упритікає до них крові. Напруга діоксиду вуглецю становить 60 мм рт. ст. в тканинах і 40 мм рт. ст. в артеріальній крові, тому за законом дифузії він переходитьз тканин в кров. Вона насичується діоксидом вуглецю, тобто стає венозної.

Дихання за різних умов.

) Дихання при фізичному навантаженні. Потрібно підвищеної кількості кисню, вентиляція легень збільшується в 10-20 разів. До початку виконання роботи включаються умовно-рефлекторні механізми регуляції, які полягають в тому, що кора великих півкуль, викликаючи довільні рухи, активізує діяльність ДЦ. В організм надходить більше кисню і з’являється можливість почати інтенсивну м’язову діяльність. Крім цього, вентиляція легень посилюється рефлекторно під впливом імпульсів, які надходять від механорецепторів м’язів, що скорочуються. Під час фізичної роботи підвищується чутливість центральних хеморецепторів ДЦ і периферичних хеморецепторів каротидного синусу та дуги аорти до гіпоксії, гіперкапнії і зниження рН. При інтенсивному фізичному навантаженні особливо знижується рН внаслідок накопичення молочної кислоти, що посилено утворюється у працюючих м’язах.

2) Дихання при зниженому атмосферному тиску. При піди манні на висоту людина опиняється в умовах зниженого тиску, внаслідок цього в організм надходить менше кисню, розвивається гіпоксія. Вже на висоті 2,5-3 км над рівнем моря розвивається гіпоксія, яка стимулює каротині хеморецептори. При цьому настає гіпервентиляція – дихання глибоке і часте. При подальшому підніманні на 4-5 км відбувається зниження атмосферного тиску і розвивається висотна хвороба, причиною якої є різке зниження напруги СО2 в крові (виводиться при гіпервентиляції). Оскільки СО2 є подразником хеморецепторів, при його зниженні глибина дихання різко зменшується. Гіпоксія призводить до слабкості, підвищення АТ, головного болю, втраті свідомості. Дихання чистим киснем дозволяє людині зберегти працездатність навіть на висоті 11-12 км. При тривалому перебуванні в гірській місцевості розвивається акліматизація до гіпоксії. У таких людей збільшується кількість еритроцитів і Нв в крові, підвищується стійкість нервових клітин до гіпоксії, збільшується вентиляція легень.

3) Дихання при підвищеному атмосферному тиску – в цих умовах працюють водолази. При зануренні під воду збільшується кількість газів, розчинених у крові. Підвищення рівня О2 в крові може призвести до кисневого отруєння, яке супроводжується судомами. Тому при занурені на великі глибини застосовують гелієво-кисневі суміші. Особливої уваги потребує підйом водолазів від високого тиску на глибині до нормального на поверхні. При швидкому підйомі може розвинутись кесонова хвороба, зумовлена виходом азоту із тканин і закупоркою дрібних судин (газова емболія), що порушує циркуляцію крові і може призвести до смерті. Для лікування кесонної хвороби потерпілого поміщають в камери з високим тиском і цим викликають розчинення бульбашок азоту