Биология

Введение

Тема данного урока: «Дыхание и газообмен».

Цель урока – обсудить термины «дыхание» и «газообмен», а также рассмотреть органы газообмена животных.

Дыхание и газообмен

Многим простейшим и огромному большинству животных жизненно необходим кислород. Только с его помощью эти организмы могут медленно сжигать питательные вещества с получением энергии. Это медленное сжигание, или окисление органических веществ, называется дыханием.

У термина «дыхание» сразу два значения. Дыхание в биохимическом смысле – это окисление питательных веществ, проходящее с выделением энергии. Дыхание в физиологическом смысле – получение кислорода и выделение углекислого газа. Именно последнее мы будем рассматривать в нашем уроке.

Газообмен – это обмен газов между организмом и окружающей средой. В организм постоянно поступает кислород, который потребляется всеми клетками, органами и тканями. Из организма выделяется углекислый газ и некоторое количество других продуктов распада питательных веществ. Таким образом, газообмен – это дыхание и немного выделения.

Некоторые простейшие – анаэробные организмы, т. е. организмы, не нуждающиеся в кислороде. Анаэробы бывают факультативными и облигатными. Факультативно анаэробные организмы – это организмы, способные жить как в отсутствии кислорода, так и при его присутствии. Облигатные анаэробные организмы – это организмы, для которых кислород ядовит. Они могут жить только в отсутствии кислорода. Анаэробным организмам кислород для окисления питательных веществ не нужен (рис. 1, 2).

Рис. 1. Брачонелла – анаэробная инфузория

Рис. 2. Кишечные лямблии

Другим простейшим, а их все же большинство, кислород нужен. Поступление кислорода в их клетки осуществляется благодаря проницаемости клеточных мембран и диффузии (процесс выравнивания концентрации кислорода внутри организма и в окружающей его среде) (рис. 3–5).

Рис. 3. Амебы

Рис. 4. Зеленая водоросль хлорелла

Рис. 5. Инфузория-туфелька (Источник)

Небольшие животные способны, как и простейшие, дышать через всю поверхность тела. Каждая клетка, к примеру, крошечной турбеллярии находится от поверхности недалеко. Кислород ко всем тканям и органам поступает путем простой диффузии. С возрастанием размера тела возникает необходимость в транспорте кислорода к клеткам тела, расположенным внутри организма, далеко от внешней среды. В процессе эволюции возникают органы и системы органов, которые позволяют этот транспорт осуществить.

Органы дыхания. Как осуществляется газообмен у животных различных систематических групп?

Губки – это фильтраторы. Через свое пористое тело они постоянно пропускают ток воды. Все клетки губок так или иначе контактируют с внешней средой и получают кислород оттуда (рис. 6).

Рис. 6. Губка на морском дне (Источник)

Кишечнополостные имеют всего два клеточных слоя тела. Наружный слой, эктодерма, напрямую контактирует с окружающей водой. Внутренний слой, энтодерма, контактирует с жидкостью кишечной полости, которая тоже, фактически, окружающая среда (рис. 7). И одни, и другие клетки получают кислород из жидкости путем простой диффузии.

Рис.7. Строение кожно-мускульного мешка гидры

Свободноживущие плоские черви специальных органов дыхания не имеют. Они, подобно простейшим, также дышат всей поверхностью тела. Поверхностью много не надышишь, все клетки должны быть от нее недалеко. Именно поэтому крупные свободноживущие плоские черви могут быть тонкими, как бумага. Транспорт кислорода осуществляется разветвленным кишечником (рис. 8).

Рис. 8. Плоский червь на дне моря (Источник)

Свободноживущие круглые черви – очень небольшие животные. Дышат они также всей поверхностью тела (рис. 9).

Рис. 9. Круглый червь

А что касается паразитов плоских и круглых червей, то они зачастую анаэробны (рис. 10).

Рис. 10. Аскарида (Источник)

У многощетинковых червей-полихет имеются специальные органы дыхания – перистые жабры. Перистые жабры представляют собой выросты из стенки тела, располагающиеся на каждом сегменте по обеим сторонам тела (рис. 11). 

Рис. 11. Полихета с жабрами

Малощетинковые черви и пиявки (рис. 12) дышат через поверхность кожи.

Рис. 12. Пиявка

У всех кольчатых червей в дыхании участвует кровь, которая обильно притекает к жабрам или к поверхности кожи, где освобождается от углекислого газа и насыщается кислородом, который затем переносит по всему организму (рис. 13).

Рис. 13. Земляной червь

У ракообразных и примитивных хелицеровых мечехвостов органами дыхания также являются жабры (рис. 14). Жабры у них – это выросты конечностей. Транспорт кислорода осуществляется кровью.

Рис. 14. Жабры мечехвоста

Органами дыхания паукообразных служат трахеи, как, например, у фаланг ложноскорпионов и сенокосцев, или легкие, как у скорпионов и жгутоногих, а иногда и те и другие вместе, как у пауков (рис. 15, 16).

Рис. 15. Ложноскорпион (Источник)

Рис. 16. Скорпион

У некоторых особо мелких паукообразных, как, например, у некоторых клещей, вообще не имеется обособленных органов дыхания. Они дышат через всю поверхность тела (рис. 17).

Рис. 17. Желтый клещ

Органы дыхания насекомых – это трахеи, которые пронизывают все тело. Трахеи ветвятся и как бы окутывают внутренние органы. Концевые ветви трахеи заканчиваются трахейной клеткой, от которой отходят тончайшие трахейные трубочки. Трахейные трубочки доставляют кислород к каждой клетке тела насекомого (рис. 18).

Рис. 18. Трахеи – органы дыхания насекомых

Трахейная система насекомых открытая, т. е. она свободно сообщается с окружающим воздухом (рис. 19).

Рис. 19. Открытая трахейная система

Однако у некоторых личинок насекомых, живущих в воде, имеется закрытая трахейная система (рис. 20). В этом случае кислород диффундирует в трахеи через поверхность сальных трахейных жабр.

Рис. 20. Закрытая трахейная система

Пластинчатые и перистые жабры моллюсков, расположенные наружно или в мантийной полости, также служат органами дыхания (рис. 21).

Рис. 21. Строение моллюска

У наземных брюхоногих моллюсков образуются легкие. Интересно, что кровь моллюсков часто имеет характерный голубоватый цвет. Этот цвет происходит от гематоцианина – пигмента крови, выполняющего функции, сходные с функциями гемоглобина в крови человека (рис. 22).

Рис. 22. Голожаберный моллюск (Источник)

Иглокожие осуществляют газообмен через тонкие нежные участки кожных покровов. Важную роль в дыхании играет амбулакральная система (рис. 23).

Рис. 23. Строение иглокожих

Система органов дыхания ланцетника представлена жаберными щелями, пронизывающими стенку переднего отдела кишечника – глотку. Жаберные щели открываются в особую полость с частой сменой воды. Любопытно, что жаберные щели у ланцетника есть, а жабр, как таковых, нет. Газообмен идет через покровы глотки (рис. 24).

Рис. 24. Строение ланцетника

У хрящевых рыб имеются жаберные щели, а жаберных крышек нет. Поэтому хрящевые рыбы не способны активно организовывать ток воды через жабры. Именно поэтому акулы и скаты должны либо постоянно плыть, либо находиться на течении, которое омывало бы жабры, снабжая их кровь кислородом (рис. 25).

Рис. 25. Жабры хрящевой рыбы

У костных рыб под жаберными крышками располагаются жабры, состоящие из жаберных дуг с жаберными лепестками (рис. 26).

Рис. 26. Жабры костных рыб

Жаберные лепестки (рис. 27) обильно пронизаны мельчайшими кровеносными сосудами. Вода, заглатываемая рыбой, попадает в ротовую полость и проходит через жаберные лепестки наружу. Вода омывает их и снабжает кровь кислородом.

Рис. 27. Жаберные лепестки (Источник)

Органами дыхания четвероногих животных являются легкие. Легкие – это полые тонкостенные мешки, оплетенные густой сетью мельчайших кровеносных сосудов – капилляров. Диффузия кислорода из воздуха в капилляры происходит на внутренней поверхности легких. Соответственно, чем это внутренняя поверхность больше, тем активнее идет диффузия.

Земноводные (рис. 28) дышат с помощью простых легких и слизистой кожи. Доля кожного дыхания у разных земноводных может быть различной.

Рис. 28. Саламандра

Рис. 29. Кровеносная система позвоночных

У пресмыкающихся кожа сухая, газообмен через нее практически не идет. Внутренняя поверхность легкого пресмыкающихся имеет более сложное устройство, чем у амфибий (рис. 29). В легких появляются многочисленные выросты и легочные перегородки, все это значительно увеличивает внутреннюю поверхность легких (рис. 30).

Рис. 30. Легкие пресмыкающегося (Источник)

Птицы во время активного полета тратят кислород с огромной скоростью, и газообмен у них протекает в связи с этим наиболее сложно. Легкие птиц представляют собой плотные губчатые тела, их внутренняя поверхность очень велика, бронхи сильно разветвлены. Часть ответвлений доходит до множества мелких полостей, стенки которых пронизаны капиллярами кровеносной системы. Другая часть бронхов проходит через легкие и за их пределами образует большие тонкостенные воздушные мешки. Они располагаются между внутренними органами, проникают в полые кости, между мышцами располагаются почти под кожей (рис. 31, 32).

Рис. 31. Дыхательная система птиц

Рис. 32. Схема дыхания птиц

В покое дыхание птиц обеспечивается движениями грудной клетки. Опускаясь, грудина увеличивает ее объем и растягивает воздушные мешки. Устремляясь в них, воздух проходит через легкие, и происходит вдох, а при поднятии грудины происходит выдох. Частота дыхания в спокойном состоянии у птиц зависит от их размера – чем мельче птица, тем более часто она дышит. В полете движения грудной клетки исключены, а дыхание осуществляется за счет движение крыльев. При поднятии крыльев воздушные мешки растягиваются, а при опускании происходит выдох.

При одном только вздохе усвоить кислород из воздуха невозможно, в воздушные мешки поступает воздух еще относительно богатый кислородом, при выдохе этот же воздух вторично проходит через легкие и отдает еще немного кислорода. Такое явление получило название двойного дыхания.

Млекопитающие также обладают достаточно совершенной системой органов дыхания. Она состоит из трахеи, бронхов и легких, по трахее и бронхам воздух проходит в легкие, где осуществляется газообмен (рис. 33).

Рис. 33. Легкое млекопитающего

Рис. 34. Ветвление бронхов в легких

Легкие губчатые, в легких бронхи ветвятся (рис. 34), по разветвлениям воздух попадает в легочные пузырьки, или альвеолы. Альвеолы оплетены густой сетью мельчайших капилляров. Вентиляцию легких обеспечивает движение появившейся диафрагмы. Диафрагма отделяет брюшную полость от грудной, также дыханию способствует сокращение и расслабление межреберных мышц. Вдох сопровождается увеличением объема грудной клетки, а выдох приводит к ее уменьшению (рис. 35, 36).

Рис. 35. Дыхательная система человека

Рис. 36. Вдох и выдох

---

Анаэробные животные

Как вы уже знаете, многие простейшие анаэробны. Среди животных анаэробный обмен веществ встречается реже, но все же встречается. Так, способны обходиться без кислорода сосальщики (рис. 37), ленточные черви (рис. 38) и паразитические круглые черви, например аскарида. Как ни странно это звучит, но анаэробный обмен веществ играет важную роль в работе некоторых наших тканей.

Рис. 37. Сосальщик

Рис. 38. Ленточный червь

Например, при активной работе, когда кислорода не хватает, поперечнополосатая мускулатура животных фактически осуществляет сбраживание глюкозы до молочной кислоты. Мышечная боль, которую мы чувствуем после интенсивной физической работы, связана как раз с образованием в мышцах молочной кислоты.

---

Простейшие и кислород

Около 3 млрд лет тому назад на земле появились фотосинтезирующие бактерии, которые начали выделять кислород. Кислород для живых организмов того времени был непривычен и обычно ядовит. Первые эукариоты, в отличие от бактерий, не могли использовать кислород для окисления питательных веществ и получения энергии.

Зато предки современных эукариот могли поедать аэробных бактерий, не все клетки бактерий при этом переваривались. Некоторые оставались жить внутри эукариотической клетки. Именно от этих выживших аэробных бактерий, скорее всего, произошли митохондрии (рис. 39).

Рис. 39. Строение клетки

В клетках современных простейших кислород используется в основном митохондриями. Митохондрии (рис. 40) – это как бы энергетические станции клетки. У анаэробных простейших митохондрии часто могут исчезать или сильно видоизменяться. 

Рис. 40. Митохондрия

---

Кожное дыхание амфибий

Как мы уже говорили, вклад кожного дыхания у различных амфибий может быть очень разным. У жаб (рис. 41), которые могут обитать в относительно сухой среде, кожа ороговевает, и кожное дыхание через нее осуществляется слабо.

Рис. 41. Голубой древолаз (Источник)

У взрослых особей большинства видов амфибий имеются легкие не очень большого объема и с небольшой внутренней поверхностью. Дышат они и через кожу, и легкими (рис. 42).

Рис. 42. Легкие лягушки

У безлегочных саламандр и некоторых лягушек (рис. 43, 44) легких вообще нет, дышат они только через покровы и слизистые рта. И, наконец, личинки амфибий дышат, как вы помните, при помощи жабр.

Рис. 43. Безлегочная саламандра (Источник)

Рис. 44.Безлегочная лягушка

---

Лабораторная работа по теме: «Изучение способов дыхания животных»

Проведите наблюдение за животными: доступными представителями костных рыб, амфибий, рептилий, птиц и млекопитающих. Если провести наблюдение за живыми животными совершенно невозможно, посмотрите соответственные видеозаписи.

Отметьте, с какой частотой открываются жаберные крышки рыб, как связаны движения рта и жаберных крышек. Есть ли видимые дыхательные движения у амфибий, рептилий птиц и млекопитающих. Заставьте животных 2–3 минуты активно подвигаться. Отметьте, изменился ли интервал и частота дыхательных движений, не изменился ли их характер. Результаты наблюдения запишите.

---

Знаете ли вы, что...

Несмотря на интенсивное легочного дыхания у наземных позвоночных, они все еще не окончательно утратили способность к дыханию через кожу. Полностью лишены этой способности лишь самые бронированные из четвероногих, например черепахи и броненосцы.

У человекообразной обезьяны площадь внутренней поверхности легких в 40–50 раз больше, чем площадь всей кожи. Условия для дыхания очень различны, например, в 1 л воды содержится кислорода в 20 раз меньше, чем в 1 литре воздуха.

 

Список литературы

1. Латюшин В.В., Шапкин В.А. Биология. Животные. 7 класс. – М.: Дрофа, 2011.

2. Сонин Н.И., Захаров В.Б. Биология. Многообразие живых организмов. Животные. 8 класс. – М.: Дрофа, 2009.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Дыхание (Источник)

2. Схема газообмена (Источник)

3. Дыхание человека (Источник)

4. Работа органов дыхания (Источник)

5. Дыхание птиц (Источник)

6. Газообмен в органах и тканях (Источник)

7. Дыхательная система насекомых (Источник)

8. Трахеи насекомых (Источник)

9. Размеры тела и дыхание (Источник)

 

Домашнее задание

1. В чем биологический смысл дыхания и газообмена? Какие органы дыхания и газообмена вам известны? Для каких животных они характерны?

2. Какие аэробные и анаэробные животные вам известны?

3. Что общего у разных способов газообмена? Чем они отличаются друг от друга?

4. Какие системы органов эволюционировали вместе с системой газообмена?

5. Обсудите с друзьями и близкими, как органы дыхания и газообмена влияют на образ жизни животных.