Ewolucja układu oddechowego u zwierząt, człowieka oraz mechanizm oddychania

Celem wymiany gazowej jest dostarczenie tlenu i wydalenie dwutlenku węgla .Tlen jest potrzebny do utleniania zw. organicznych a konkretnie glukozy . Podczas oddychania powstaje energia która niezbędna jest do przebiegu wielu procesów. Wymiana gazowa odbywa się na rożne sposoby co związane jest z różnorodnością środowisk i trybem życia. Każda powierzchnia oddechowa musi być jak największa wilgotna i cienka. Nie wszystkie organizmy maja układu oddechowego gdyż są małe i oddychają cala powierzchnia ciała. PIERSCIENICE oddychają przeważnie całą pow. ciała .U niektórych form wodnych wykształcają się narządy wymiany gazowej-skrzela zewnętrzne będące najczęściej bogato unaczynionymi wyrostkami parapodiów MIECZAKI żyją w środowisku wodnym lub lądowym i w zależności od tego posiadają inny typ układu oddechowego U mięczaków wodnych narządem wymiany gazowej są silnie ukrwione skrzela występujące najczęściej w formie grzebykowatych lub pierzastych wyrostków ulokowanych w jamie płaszczowej U mięczaków lądowych wymiana gazowa odbywa się w unaczynionych ścianach jamy płaszczowej pełniących funkcje płuc Ze środowiskiem zew. kontaktują się za pośrednictwem otworu oddechowego Głowonogi oddychają skrzelami STAWONOGI posiadają rożne formy układ oddechowego Wymiana gazowa cala powierzchnia ciała jest znikoma gdyż występuje chitynowy skorek *SKORUPIAKI są organizmami wodnymi w związku z tym oddychają skrzelami które są płatowate pierzaste znajdujące się przy odnóżach na glowotułowiu Są to silnie ukrwione wyrostki ciała znajdujące się w jamach skrzelowych pokryte specjalnymi wieczkami Pokrywa skrzelowa pełni funkcje ochronna
OWADY-formy larwalne owadów oddychają pierzastymi skrzelami zaś dorosłe tchawkami Tchawki to system rurek rozgałęziających się po całym ciele Powietrze wchodzi i wychodzi z układu zamykanymi otworami zwanymi przetchlinkami rozmieszczonymi wzdłuż tułowia i odwłoka Przez przetchlinki powietrze wnika do coraz cieńszych tchawek które oplatają narządy ciała a przez ścianki zachodzi wymiana gazowa Charakterystycznymi dla pajęczaków narządami wymiany gazowej są płuca. Płuca to ukrwione komory powietrzne .Jednak niektóre pajęczaki maja tchawki inne płuca i tchawki a jeszcze inne obywają się bez specjalnych narządów oddechowych .U lancetnika wymiana gazowa zachodzi na bogato ukrwionych ściankach gardzieli Woda pobrana otworem gębowym trafia do jamy gardzieli i przepływa przez szczeliny skrzelowe w gardzieli do otaczającej ja jamy skrzelowej Z jamy skrzelowej z kolei wypływa przez otwór odpływowy położony na brzusznej stronie ciała KREGOWCE *RYBY posiadają skrzela które znajdują się w jamie skrzelowej zapewniającej ochronę oraz skuteczny przepływ wody Skrzela osadzone są na łukach skrzelowych u chrzęstnoszkieletowych wyst. 5 par u kostno 4 Od łuków skrzelowych odchodzą 2 rzędy bogato unaczynionych listków skrzelowych i każdy zbudowany jest z blaszek skrzelowych zwiększające powierzchnię oddechową
Pokrywy skrzelowe działają jak pompa ssąco tłocząca która utrzymuje jednokierunkowy przepływ wody od jamy gębowej do jamy skrzelowej Skrzela omywane są przez przepływającą wodę w dwojaki sposób jeden wyst tylko u niektórych ryb kostnoszkieletowych u makreli Woda dostaje się do jamy skrzelowej w wyniku szybkiego ruchu przy otwartym pysku i uniesionych pokrywach skrzelowych Drugi mechanizm typowy dla większości ryb kostno to praca aparatu oddechowego Na początku wdechu pokrywy skrzelowe ściśle przylegają do ciała przy równocześnie otwarty pysku Po całkowitym wypełnieniu jamy skrzelowej wodą pod wpływem odchylających się pokryw działających jak pompa ssąca zamyka się otwór gębowy Skurcz jamy gębowej powoduje wypchnięcie wody ze skrzeli i pokrywy się opuszczają U ryb wymiana gazowa może odbywać się przez skórę jelito i błonę śluzową jamy gębowej U kostnoszkieletowych w jamie ciała pod kręgosłupem ciągnie się duży cienkościenny pęcherz pławny wypełniony mieszaniną gazów Pęcherz ten jest narządem hydrostatycznym Jego główną jest usprawnienie pływania zmiana ciężaru ciała ryby co pomaga jej w zmianie głębokości służy on także do przekazywania fal dźwiękowych do błędnika oraz jako narząd dodatkowy U płazów-wymiana gazowa zachodzi przez dobrze unaczyniona i wilgotna skórę ścianki jamy gębowej oraz narządy oddechowe płuca lub skrzela Larwy płazów maja skrzela Najczęściej są to pierzaste wyrostki umieszczone za głową- skrzela zewnętrzne Większość dorosłych płazów ma płuca w postaci parzystych cienkościennych worków o mniej lub bardziej pofałdowanych siankach Powietrze z jamy gębowej dostaje się do płuc przez krtań i krotka tchawice U niektórych płazów mogą pojawić się wyrostki skierowane do wew. zwiększające powierzchnie wymiany gazowej Wymiana powietrza w płucach możliwa jest dzięki ruchowi dna jamy gębowo gardłowej co związane jest z tym ze płazy nie maja klatki piersiowej Najpierw następuje obniżenie dna jamy gębowo gardłowej przy zamkniętej krtani umożliwia to zassanie powietrza przez nozdrza Po otwarciu krtani następuje wydech ponieważ kurczą się mięsnie ściany ciała a to powoduje obkurczanie płuc i wypchniecie z nich powietrza przez krtań jamę gębowo- gardłowa i nozdrza Należy zaznaczyć ze wcześniej wciągnięte powietrze zalega w dolnej części jamy gębowo- gardłowej i tylko w nieznacznym stopniu miesza się z powietrzem wydychanym Następnie zamykają się nozdrza podnosi się dno jamy gębowo gardłowej i powietrze wtłaczane jest do płuc Po napełnieniu płuc zamyka się krtań a otwierają nozdrza i rozpoczyna się wciąganie powietrza do jamy gębowo gardłowej GADY-wymiana gazowa przez skore jest bardzo utrudniona ponieważ jest ona sucha i pokryta rogowymi tworami naskórka tylko 5%wymiany zachodzi ta droga W odróżnieniu od płazów wymiana gazowa u gadów zachodzi przede wszystkim przez płuca Powietrze przez nozdrza gardziel krtań tchawice i parzyste oskrzela dostaje się do płuc czyli właściwego narządu wymiany gazowej Płuca są silnie unaczynione i bardziej pofałdowane niż płuca płazów dzięki czemu maja znacznie większą powierzchnie wymiany gazowej U większości płazów powierzchnie oddechowa pluć stanowią ich pofałdowane ścianki które zagłębiając się do środka tworzą komory U innych gadów np. waranów do wnętrza płuc wnikają oskrzela które rozgałęziając się tworzą system rureczek czyli oskrzelików dochodzących do komór w płucach Ponieważ gady maja wykształconą klatkę piersiowa powietrze nie jest wtłaczane do płuc tak jak u płazów Wdech i wydech u gadów możliwy jest dzięki ruchom klatki piersiowej Skurcz mięsni międzyżebrowych powoduje zwiększenie objętości klatki piersiowej wytworzenie podciśnienia i rozprężenie płuc co warunkuje wdech Rozciąganie mięsni międzyżebrowych powoduje zmniejszenie objętości klatki piersiowej wytworzenie nadciśnienia i w efekcie kurczenie się płuc co warunkuje wydech PTAKI-układ oddechowy składa się z dróg oddechowych płuc i dodatkowo wykształconych worków powietrznych Drogi oddechowe ptaków składają się z takich samych elementów jakie wykształciły gady ale ich tchawica jest znacznie dłuższa a krtań zróżnicowana na cześć górną(oddziela tchawice od gardzieli) i dolna która znajduje się na końcu tchawicy i jest narządem głosu Oskrzela jako parzyste rozgałęzienia tchawicy doprowadzają powietrze do rurkowatych płuc w których zachodzi wymiana gazowa Niezależnie od tego oskrzela maja połączenia z workami powietrznymi które pełnia role magazynu powietrza Dzięki nim świeże powietrze przechodzi przez płuca w czasie wdechu i wydechu. Taki proces wymiany gazowej nazywamy podwójnym oddychaniem Ruch powietrza w układzie oddechowym ptaków jest powodowany ruchem klatki piersiowej Ptaki maja 9 worków powietrznych które ze względu na funkcje dzielimy na przednie i tylne Podczas wdechu świeże powietrze napełnia worki tylne a pozostała jego cześć przechodzi przez płuca i jako powietrze zużyte napełnia worki przednie W czasie wydechu powietrze z worków przednich wyprowadzane jest oskrzelami a z worków tylnych przechodzi przez płuca do oskrzeli SSAKI Układ oddechowy składa się z dróg oddechowych i płuc Rozpoczynają ten układ nozdrza zewnętrzne przez które w czasie wdechu wciągane jest powietrze do jamy nosowej Jama nosowa wysłana jest migawkowym (orzęsionym) nabłonkiem zawierającym liczne gruczołu śluzowe oraz receptory wrażliwe na zapach Nabłonek ten jest silnie unaczyniony Powietrze w jamie nosowej jest oczyszczane nawilżane ogrzewane Z jamy nosowej przez gardło dociera do krtani i tchawicy Krtań jest krótkim przewodem zaopatrzonym w ruchome chrząstki Krtań zaopatrzona jest w nagłośnię która „przykrywa wejście” do krtani w czasie przełykania kęsów Krtań jest narządem głosu w którym boczne fałdy ścian tworzą struny głosowe Z krtani przechodzi powietrze do tchawicy która posiada rusztowanie utworzone z półpierścieniowatych chrząstek utrzymujących drożność tego przewodu Wnętrze tchawicy wysyłane jest nabłonkiem migawkowym umożliwiającym zbieranie zanieczyszczeń znajdujących się w powietrzu W dolnej części tchawica rozdziela się na część prawa i lewa tworząc drobniejsze kanały rozprowadzające powietrze Nazywamy je oskrzelami a jeszcze drobniejsze oskrzelikami Kończą się one pęcherzykami płucnymi Oskrzela maja podobna budowę jak tchawica różnią się średnica Pęcherzyki płucne są cienkościenne jednonabłonkowe oplecione siecią naczyń włosowatych tworzą olbrzymia powierzchnie wymiany gazowej Pęcherzyki płucne wraz z oskrzelami i oskrzelikami tworzą płuca umieszczone w klatce piersiowej za zebrami Płuco lewe jest dwupłatowate a prawe trzypłatowate Powierzchnia pluc pokryta jest cienkimi gładkimi błonami tzw. opłucnymi Przestrzeń miedzy nimi wypleniona jest płynem zmniejszającym tarcie w trakcie ruchów oddechowych oraz powodującym wypełnianie całkowitej przestrzeni w klatce piersiowej przez płuco MECHANIZM WENTYLACJI PŁUC U dorosłego człowieka wentylacja płuc odbywa się dzięki rytmicznym wdechom i wydechom i zachodzi ok. 12-16 razy w ciągu minuty regulacja tego procesu zajmuje się ośrodek oddechowy znajdujący się w rdzeniu przedłużonym Ośrodki wdechu i wydechu są wrażliwe na ilość tlenu oraz CO2 we krwi WDECH jest możliwy dzięki skurczonej przeponie która opuszcza się ku dołowi zwiększające pojemność klatki piersiowej Równocześnie kurczą się mięśnie międzyżebrowe powodują uniesienie żeber do góry wówczas płuca wypełniają cala przestrzeń w klatce piersiowej Znajdujące się wewnątrz płuc powietrze uzyskuje niższe ciśnienie niż ciśnienie atmosferyczne Następuje dopływ powietrza w celu wyrównania ciśnienia W czasie jednego wdechu wciągamy średnio ok. 0,5 litra powietrza WDECH jest procesem odwrotnym Następuje rozkurcz przepony oraz mięsni międzyżebrowych powodujących zmniejszenie objętości klatki piersiowej Wymiana gazowa odbywa się w pęcherzykach płucnych miedzy pęcherzykiem a naczyniem włosowatym oplatającym pęcherzyk Gazy dyfundują przez ścianę pęcherzyka i naczynia krwionośnego Cząsteczki tlenu dyfundują z pęcherzyków płucnych do krwi w której stężenie tego gazu niższe W odwrotnym kierunku wędruje co2 ODYCHANIE może przebiegać tlenowo lub beztlenowo Proces ten ma na celu utlenienie związków organicznych przy udziale tlenu czemu towarzyszy powstanie energii która częściowo wydzielana jest w postaci ciepła a częściowo kumulowana w ATP ODDYCHANIE BEZTLENOWE nazywane jest inaczej fermentacja i występuje u anaerobów Przebiega na terenie cytoplazmy i nie wymaga obecności tlenu W tym procesie glukoza podlega przekształceniom do pirogronianu W trakcie przekształceń w wyniku fosforylacji substratowej powstaje energia zmagazynowana w ATP kwas pirogronowy ulega przemianom w rozne zwiazki Najczęściej wyst fermentacja alkoholowa-proces glkolizy przebiega identycznie jak u aerobów powstały kwas pirogronowy ulega dekarboksylacji do aldehydu octowego który jest redukowany do alkoholu etylowego *fermentacja octowa-kwas pirogronowy ulega dekarboksylacji do aldehydu octowego który jest utleniony do kwasu octowego *fermentacja mlekowa przekształcenie pirogronoanu w kwas mlekowy Kwas ten powstaje w mięśniach przy intensywnym wysiłku oraz braku tlenu jest związkiem toksycznym powodującym ból mięśni Przy pomocy krwi jest przenoszony do wątroby i przekształcony w glukozę Zysk energetyczny netto w oddychaniu beztlenowym wynosi 2ATP Z kolei oddychanie tlenowe rozpoczyna się od glikolizy która zachodzi w cytoplazmie komórki i nie wymaga obecności tlenu Pierwsza reakcja to dwukrotna aktywacaja oraz jej izomeryzacja Powstaje fruktozo-1,6 difosforan który ulega rozczepianiu na dwie izometryczne fosfotriozy Jedna z trioz jest aldehyd 3-fosfoglicerynowy podlegający utlenieniu Przyłączając nieorganiczny fosforan tworzy kwas pirogronowy-pirogronian W trakcie przekształceń glukozy do pirogronianu zachodzi fosforylacja substratowa powstaje ATP Kolejny etap oddychania tlenowego nazywa się cyklem Krebsa lub cyklem kwasu cytrynowego Etap ten zachodzi wewnątrz mitochondriów i polega na serii reakcji o charakterze cyklicznym w których substratami i produktami są kwasy organiczne Rozpoczyna go kwas pirogronowy który w obecności tlenu wnika do wnętrza mitochondriow gdzie enzymatycznie zostaje przekształcony w tzw. czynny octan-acetylo-CoA W czasie rozpadu pirogronianu wodor jest przyłaczony do przenośnika NADP a CO2 zostaje uwolniony Powstały acetylo-CoA jest dwuweglowa pochodna kwasu octowego Do acetylo-CoA zostaje przyłączony kwas szczawiooctowy tworzac kwas cytrynowy Kwas cytrynowy ulega przekształceniu tworząc kolejno kwas cis-akonitowy kw. Izocytrynowy ketoglutarowy bursztynylo-CoA kw bursztynowy kw. Fumarowy jabłkowy szczawiooctowy W trakcie tych przemian zachodzą reakcje dekarboksylacji oksydacyjnej , dehydrogenacji (odłączenie wodoru) redukcji NAD+ oraz fosforylacji substratowej W czasie tych przekształceń zachodzi dwukrotna dekarboksylacja i czterokrotna dehydrogenacja Po zakończeniu cyklu krebsa rozpoczyna się 3 etap oddychania wewnątrzkomórkowego- łańcuch oddechowy Etap ten zachodzi w wewnętrznej błonie mitochondrialnej nazywanej grzebieniem Utworzony w dwóch etapach NADH+H* przechodzi przez szereg przenośników Przenośniki w łańcuchu oddechowym sa uporządkowane tak ze każdy ze składników ma zdolność pobierania elektronów od swego poprzednika w łańcuchu Ostatnim ogniwem łańcucha wykazującym największe powinowactwo do elektronów jest tlen a końcowym produktem jest cząsteczka wody Podczas redukcji wydzielana jest duża ilość energii która jest magazynowana w ATP Zysk energetyczny netto procesu oddychania komórkowego wynosi 36 ATP MOŻNA wiec stwierdzić ze oddychanie jest niezbędne do egzystencji istot żywych a głównym jego celem jest wytworzenie energii potrzebnej do życia i przebiegu innych procesów W zależności od środowiska życia organizmy wykształciły rożne narządy oddechowe Organizmy wodne posiadają skrzela Są one narządem bardzo delikatnym i najczęściej ukrytym w specjalnych zagłębieniach dodatkowo okrywa je np. płaszcz u ślimaków chitynowe pancerze u skorupiaków lub pokrywy skrzelowe u ryb .U zwierząt żyjących w środowisku lądowym narządami oddechowymi są tchawki spotykane u owadów i niektórych pajęczaków Rozpoczynają się przetchlinkami od których odchodzą pęki rurek tworzących coraz to drobniejsze odgałęzienia docierające do wszystkich narządów płuco tchawki występujące u pajęczaków oraz płuca Charakterystyczna cecha jest to ze wraz z postępem ewolucji układy pojawiające się u wyższych organizmów były lepiej wyspecjalizowane i rozwinięte Formy pasożytnicze nie wykształciły układu oddechowego oddychają beztlenowo lub powłokami ciała Zauważyć również można ze im większa jest powierzchnia oddechowa bardziej cienka i wilgotna tym wymiana gazowa zachodzi sprawniej