oddychanie a ewolucja i przystosowanie do środowiska

Temat: Wykaż, że sposób oddychania i narządy wymiany gazowej organizmów zwierzęcych są wyrazem adaptacji do warunków środowiska i trybu życia oraz potwierdzeniem rozwoju ewolucyjnego.



Wymiana gazowa u małych wodnych zwierząt, takich jak gąbki, płazińce czy obleńce, jest dość nieskomplikowanym procesem. Rozpuszczony w wodzie tlen dyfunduje do wnętrza komórek, a dwutlenek węgla na zewnątrz, do otaczającej wody. Wyspecjalizowane narządy oddechowe nie są potrzebne przy niedużych rozmiarach ciała i znacznej jego powierzchni w stosunku do objętości. Tempo metabolizmu tych zwierząt jest na ogół niewielkie, tak więc już stosunkowo małe ilości tlenu zaspokajają ich potrzeby. Natomiast te płazińce i obleńce, które są pasożytami wewnętrznymi, oddychają beztlenowo.

Większość pierścienic również oddycha całą powierzchnią ciała. Jest to możliwe, chociaż nie żyją, tak jak poprzednie typy zwierząt, w wodzie. Komórki gruczołowe ich naskórka wydzielają śluz, dzięki czemu powierzchnia ciała jest stale wilgotna. Tlen z powietrza rozpuszcza się w śluzie i poprzez powłoki ciała dyfunduje do sieci naczyń włosowatych tuż pod zewnętrzną warstwą komórek naskórka. Jednak nie wszystkie pierścienice oddychają jedynie tą metodą. U wieloszczetów dodatkowo funkcję tę pełnią skrzela w postaci unaczynionych wyrostków powłok ciała, osadzonych na odnóżach (parapodiach).

U poszczególnych grup stawonogów układ oddechowy jest rozmaicie ukształtowany. Mogą to być skrzela (u skorupiaków), tchawki (u owadów) albo płucotchawki (u pajęczaków). Podobnie jak u wieloszczetów układ oddechowy związany jest z odnóżami. Wyżej uorganizowane, u podstawy odnóży krocznych posiadają cienkościenne, blaszkowate skrzela. U drobnych form brak specjalnych narządów oddychania, gdyż oddychają one całą powierzchnią ciała.

U większości skorupiaków jako skrzela funkcjonują rozgałęzione epipodity, występujące na członach podstawowych odnóży. U drobnych form mogą to być i same odnóża, zawierające dobrze rozwinięte przestrzenie hemolimfatyczne lub oddychają całą powierzchnią ciała.

Narządami oddechowymi pajęczaków są płucotchawki (jedna do czterech par w odwłoku). Są to grzebykowate, spłaszczone rozgałęzienia pni tchawkowych, które omywane są przez hemolimfę transportującą gazy oddechowe.

Układ oddechowy owadów zbudowany jest z systemu rozgałęzionych rurek zwanych tchawkami. Powietrze dostaje się do systemu tchawek przez przetchlinki - niewielkie otwory w powierzchni ciała. Następnie wędruje ono systemem rozgałęziających się tchawek, które sięgają do wszystkich okolic ciała zwierzęcia. Tlen dostarczany jest wprost do komórek. Wewnątrz ciała tchawki kończą się ślepo, mikroskopijnej wielkości delikatnymi, wypełnionymi płynem tracheolami. Wymiana gazowa zachodzi na drodze dyfuzji właśnie pomiędzy płynem wypełniającym tracheole a komórkami ciała. W ten sposób możliwe stało się bezpośrednie dostarczenie tlenu do prawie każdej komórki ciała z pominięciem układu krążenia. Zapewnia to wysoką wydajność wymiany gazowej, niezbędną owadom do lotu.



Niższe strunowce mają zazwyczaj skrzela. Seria szczelin skrzelowych przebija gardziel. Ścianki przegradzające je, wzmocnione dodatkowo elementami szkieletu, tworzą łuki skrzelowe. Na tych łukach osadzone są bogato unaczynione listki skrzelowe, które mogą być powycinane w tak zwane blaszki skrzelowe. U ryb kostnoszkieletowych skrzela okryte są kostną płytką (pokrywą skrzelową lub wieczkiem skrzelowym). Ruchy tej pokrywy pomagają w pompowaniu natlenionej wody do wnętrza ciała przez jamę gębową. Ryby nie posiadają dróg oddechowych. Ich rolę pełni przełyk.

Skrzela są narządami oddechowymi zwierząt wodnych, ponieważ funkcjonowanie ich wymaga stałego przepływu wody. Bez wody zapadają się. Są to zawsze wilgotne, cienkie struktury, które często wystają ponad powierzchnię ciała. U wielu zwierząt zewnętrzna powierzchnia skrzeli styka się z wodą, podczas gdy wewnętrzna pozostaje w ścisłym kontakcie z siecią naczyń krwionośnych.

Płazy, takie jak żaby i salamandry, pochodzą od ryb płucodysznych. O ich pochodzeniu świadczy fakt, że ciągle jeszcze spędzają w wodzie część swojego cyklu rozwojowego i obecność płuc podobnej budowy co pęcherz pławny ryb (pozostałość po płucach u pierwszych prymitywnych ryb, teraz jest narządem hydrostatycznym pozwalającym rybie kontrolować głębokość, na której przebywa). Płazy natomiast jako formy larwalne mają zewnętrzne skrzela, a jako formy dorosłe - workowate płuca. Ich płuca są parzystymi, długimi workami, oplecionymi siecią naczyń włosowatych. Ich wewnętrzna powierzchnia jest już nieco pofałdowana, co zwiększa powierzchnię wymiany gazowej. Pobieranie powietrza do płuc jest procesem skomplikowanym i bardzo różni się od sposobu, w jaki oddychają ssaki. Nie występują tu żebra, nie ma więc klatki piersiowej. Nie ma również przepony. Rolę pompy ssącej i tłoczącej powietrze spełniają dna jamy gębowo-gardzielowej, wspomagane przez czynność zastawek i mięśni w nozdrzach i gardzieli. Żaba łyka więc powietrze, którym oddycha. Wymiana gazowa następuje również poprzez skórę i błonę śluzową jamy gębowo-gardzielowej. Jest to niezbędne, gdyż wydajność płuc płazów jest bardzo mała ze względu na niewielką jeszcze powierzchnię czynną. W rezultacie aż około trzech czwartych tlenu uzyskiwane jest dzięki dyfuzji przez skórę.

Kręgowce lądowe oddychają płucami. Budowa płuc większości gadów jest dość prosta. Są one podzielone na liczne komory i zazwyczaj mają budowę gąbczastą. Wewnętrzna ich powierzchnia jest pofałdowana, co zwiększa obszar wymiany gazowej. Wymiana gazowa nie jest szczególnie efektywna, dlatego też gady nie wytrzymują długich okresów wzmożonej aktywności. Cechą aromorfotyczną jest wytworzenie klatki piersiowej i mięśni międzyżebrowych, dzięki ruchom których mogą bezpośrednio zasysać i wyciskać powietrze w płucach. Ten mechanizm całkowicie pokrywa zapotrzebowanie tlenowe gadów - zwierząt o wyższym tempie metabolizmu i niekiedy znacznych rozmiarach ciała. Dzięki temu nie muszą oddychać poprzez skórę, która w ich przypadku pełni rolę izolatora przed światem zewnętrznym - rogowy, nieprzepuszczalny dla wody naskórek chroni zwierzę przed nadmierną utratą wilgoci, co pozwala na uniezależnienie się od środowiska wodnego.

Ptaki, bardzo aktywne zwierzęta o wysokim tempie metabolizmu, wymagają znacznych ilości tlenu, a budowa ich układu oddechowego umożliwia znaczną wydajność procesów wymiany gazowej. Od małych, rurkowatych płuc odchodzą cienkościenne worki powietrzne, które sięgają do wszystkich części ciała, a nawet wnikają do niektórych kości. Przepływ powietrza w płucach jest jednokierunkowy i powietrze odnawiane jest przy każdym wdechu. W stanie spoczynku ptak wciąga powietrze do płuc dzięki ruchom mostka i żeber. W czasie lotu mostek musi być unieruchomiony, by stworzyć przyczep dla mięśni skrzydeł. Każdy ruch skrzydeł powoduje na przemian wtłaczanie i usuwanie powietrza do worków i z worków powietrznych położonych pomiędzy niektórymi mięśniami skrzydeł. Worki te działają więc jak miechy, wciągając i wyrzucając powietrze do płuc i z płuc. Im szybciej ptak leci (i tym samym potrzebuje więcej tlenu), tym powietrze żywiej krąży przez płuca. Jest to najsprawniejszy układ oddechowy w świecie zwierząt.

Parzyste płuca ssaków maj kształt dużych, pęcherzykowatych worków, położonych w klatce piersiowej. Mają one rozbudowaną sieć oskrzeli i oskrzelików. Wymiana gazowa zachodzi w pęcherzykach płucnych. Olbrzymi rozwój powierzchni płuc doprowadził do tego, że wymiana gazowa prawie wyłącznie odbywa się przy ich udziale (stosunek powierzchni płucnej do powierzchni skóry u ssaków jest kilkaset razy większy niż u płazów, natomiast udział skóry w oddychaniu kilkaset razy mniejszy). Oddychanie wspomagane jest ruchami klatki piersiowej, mięśni międzyżebrowych oraz przepony. Podczas wdechu pojemność klatki piersiowej zwiększa się między innymi na skutek skurczu przepony, która jest cienkim, wysklepionym ku górze mięśniem, zamykającym od dołu klatkę piersiową i oddzielającym jej jamę od jamy brzusznej. Wydech jest fazą bierną - przepona i mięśnie międzyżebrowe rozluźniają się, co powoduje obniżenie się klatki piersiowej i zarazem zmniejszenie objętości płuc. Sposób oddychania ssaków nie jest tak wydajny jak u ptaków, ale nie mają one tak dużych potrzeb energetycznych jak ptaki.



Środowisko wilgotne czy wręcz wodne jest optymalne z punktu widzenia tempa wymiany gazowej, gdyż dopiero rozpuszczone w wodzie cząsteczki gazu mogą pokonać barierę błon cytoplazmatycznych. Woda jednak ma znacznie większą gęstość i lepkość, a tym samym stawia większy opór przepływowy niż powietrze. W związku z tym duże zwierzę zużywa więcej energii na przepływ wody wokół powierzchni oddechowych niż na przepływ powietrza.

Wymiana gazowa w powietrzu niesie i inne korzyści. Powietrze zawiera znacznie więcej tlenu niż woda. Dyfuzja tlenu w powietrzu jest znacznie szybsza niż dyfuzja w wodzie. Stałocieplne zwierzęta wodne, które z powodu swoich rozmiarów potrzebują mnóstwa tlenu, nie mogą uzyskać go z wody w wystarczającej ilości. Określona objętość wody zawiera tylko kilka procent tego tlenu, który znajduje się w tej samej objętości powietrza. Dlatego wieloryby i morświny oddychają powietrzem atmosferycznym. Ponadto problemem towarzyszącym oddychaniu w wodzie jest trudność w utrzymaniu temperatury ciała na poziomie wyższym niż temperatura otoczenia.

Jednakże zwierzętom, które oddychają powietrzem, grozi stała utrata wody. Istnieją więc mechanizmy zapobiegające wysychaniu tkanek, a powierzchnie oddechowe muszą być stale wilgotne, by umożliwić dyfuzję tlenu i dwutlenku węgla przez błony plazmatyczne. Dlatego narządy oddechowe ukryte są głęboko pod powierzchnią ciała, a nie tak odsłonięte, jak na przykład skrzela.





Bibliografia:

- Eugeniusz Grabda „ZOOLOGIA bezkręgowce. tom II część pierwsza" PWN 1985

- Stanisław Chudoba „ZOOLOGIA. zeszyt 1" PWN 1985

- Villee „Biologia" Multico Oficyna Wydawnicza 1998

- Waldemar Lewinski „Biologia. Podręcznik dla klasy II liceum ogólnokształcącego o profilu podstawowym i biologiczno-chemicznym" Wydawnictwo „OPERON" 1997