Дыхание животных

Представьте гепарда, бегущего по саванне за антилопой. В стремительном рывке гепард развивает скорость до 110 км\ч. В этот момент сердце гепарда начинает биться быстрее, появляется отдышка. Эти ощущения знакомы любому бегуну. Дыхание и сердцебиение неразрывно связаны с важнейшим процессом – получением энергии.Большинство животных в качестве источника энергии используют вдыхаемый кислород. Кислород для клеток нашего тела – как топливо для машины. Без топлива (энергии) клетки прекратят работать. Если наш гепард решит прекратить погоню из-за усталости, это значит, что его мышечные клетки слишком быстро расходуют энергию (кислород) и не успевают получать новую порцию кислорода. В таком состоянии мышцы просто «отказываются» дальше работать.

Дыхание = энергия

Чтобы ускорить получение энергии, в ходе эволюции у животных развились две системы органов:1. Дыхательная система. Органы дыхания (лёгкие) позволяют получить максимальное количество кислорода. За один вдох в лёгкие гепарда поступают сотни триллионов молекул кислорода.2. Кровеносная система. Сердце как насос качает кровь по сосудам. Сосуды, оплетающие все тело гепарда, за секунды доставляют кислород ко всем клеткам. Без кровеносной системы кислород от легких гепарда к его мышцам шел бы в течение месяцев! За это время мышечные клетки давно бы погибли.

Так почему же у гепарда во время бега появилась отдышка и участилось сердцебиение?

У простых животных, таких как кишечнополостные и плоские черви, органы дыхания отсутствуют. Дыхание происходит через кожу путём диффузии.

Из-за беспорядочного движения молекул, кислород постепенно проникает из области, где его много туда, где его мало. Но такое движение происходит очень медленно. Так, молекулы кислорода проникают на расстояние в 1 мм за 100 секунд, а диффузия в 1 см займёт уже 3 часа. Поэтому большинство примитивных животных – мелкие, плоские и даже прозрачные создания. Через их тонкие тела кислород быстро проникает в организм и достигает каждой клетки.

Дыхательная система

Дыхание примитивных животных

У насекомых развилась особая система разветвлённых дыхательных каналов – трахей. Снаружи тела трахеи открываются дыхальцами, которые расположены вдоль всего тела насекомого. Воздух проникает через дыхальца, попадает в трахеи и доходит до тонких трахеол. Густая сеть трахеол дотягивается до каждой клетки. Другими словами, лёгкие оплетают все тело насекомого.
Увеличенные части трахей образуют воздушные мешочки возле органов, которым требуется большое количество кислорода.

Дыхание насекомых

Жабры

Жабры необходимы для дыхания в воде. Они состоят из множества разветвляющихся отростков, увеличивающих контакт с поглощаемым из воды кислородом. Жабрами дышат рыбы, большинство моллюсков и некоторые амфибии.

Без защитных покрытий наружные жабры легко повредить. Если такое животное достать из воды, то его жабры быстро высохнут и разрушатся.

Жабры рыб защищены жаберными крышками, которые также помогают регулировать ток воды. Вода, насыщенная кислородом, проходит в жабры через рот рыбы. Затем вода достигает жаберных дуг, которые состоят из жаберных лепестков. Жаберные лепестки покрыты сетью крошечных кровеносных капилляров. Воздух просачивается через жаберные лепестки и попадает в кровь. Противоположный ток крови и воды позволяет максимально эффективно извлекать кислород. Это особенно важно, учитывая что количество кислорода в воде в 30 раз меньше, чем в воздухе.

Когда позвоночные животные впервые вышли на сушу сотни миллионов лет назад, жабры стали бесполезными. Нежные перистые структуры жабр легко повреждаются и быстро высыхают на воздухе.Миллионы лет назад у некоторых рыб впервые появились выросты кишечного тракта, которые дополняли жаберное дыхание. В дальнейшем эти выросты превратились в мешочки-лёгкие, спрятанные в теле и защищенные от усыхания и повреждений.Постепенное увеличение объема легких у наземных позвоночных позволяло вести всё более активный образ жизни.

Наземные позвоночные дышат лёгкими

Дыхание земноводных отличается от дыхания других наземных позвоночных. Земноводные втягивают воздух через ноздри, заполняя ротоглоточную полость. Далее дно рта поднимается, и воздух выталкивается в лёгкие. Такое дыхание похоже на процедуру реанимации человека «рот в рот». Рептилии и млекопитающие при дыхании используют «подсасывающую» силу, создаваемую мышцами грудной клетки. В данном случае вентиляция лёгких похожа на всасывание воды через соломинку.Кроме того, амфибии сохранили примитивные черты дыхания. Некоторые лягушки через кожу получают до 50% всего кислорода, личинки лягушек дышат при помощи жабр, а аксолотли вернулись к жаберному дыханию.

Дыхание земноводных

Дыхание млекопитающих

Легкие млекопитающих состоят из многочисленных микроскопических мешочков – альвеол. Эти мешочки увеличивают площадь соприкосновения лёгких с кислородом. Благодаря этому за один вдох поглощается больше кислорода. Так, у активных хищников количество альвеол достигает 300 миллионов, а у малоподвижных ленивцев – всего 6 миллионов.В дыхании всех млекопитающих участвует мышца диафрагма. Она располагается под легкими и осуществляет механизм вдоха – выдоха.

Млекопитающие, которые перешли к водному образу жизни, сохранили легкие и не могут дышать под водой. Чтобы сделать вдох этим животным приходится подниматься на поверхность. Однако кашалот может обходиться под водой без воздуха до 1,5 часов, погружаясь на глубину до 2 км.На глубине киты используют кислород, который хранится не только в лёгких, но и в крови и мышцах. У водных млекопитающих в мышцах могут запасаться большие объемы кислорода. К тому же, эти животные способны изменять направление транспорта кислорода. Если кислород кончается, то он будет в первую очередь транспортироваться к сердцу и мозгу. Кишечник и мышцы могут «подождать» до тех пор, пока животное вновь не всплывёт за глотком свежего воздуха.

Для полета необходимо колоссальное количество энергии. Поэтому эволюция «подарила» птицам самые эффективные лёгкие. Горные гуси летают над Гималаями на высоте более 7 километров над уровнем моря. Ни одно другое позвоночное не способно выжить на таких экстремальных высотах, где уровень кислорода чрезвычайно низок.Лёгкие птиц имеют особые выросты – лёгочные мешки. На вдохе воздух попадает сначала в задние воздушные мешки. Затем на выдохе воздух поступает в лёгкие, а затем в передние воздушные мешки. Лёгочные мешки не поглощают кислород, а лишь нагнетают его в лёгкие. Такая система двойного дыхания позволяет поглощать кислород даже на выдохе.

Дыхание птиц

Итак, главная задача органов дыхания – извлечь кислород из окружающей среды. Органы дыхания также удаляют из организма вредный побочный продукт – углекислый газ.

Поглощение кислорода – лишь первый этап дыхания. Затем кислород (энергию) необходимо доставить до каждой клетки тела.
У многих животных за транспорт кислорода по всему телу отвечает кровеносная система. Она состоит из трёх компонентов:1.Жидкая кровь, в которой плавают транспортировщики кислорода – эритроциты.2.Сосуды – транспортные пути, по которым кровь перемещается.3.Сердце – биение сердца приводит кровь в движение.

Кровеносная система

Дыхательная и кровеносная системы тесно связаны друг с другом. Поглощённый в лёгких кислород транспортируется по сосудам к клеткам тела. Клетки забирают кислород и используют его в качестве энергии для работы. В свою очередь, клетка выбрасывает в кровь углекислый газ (отработанное топливо). Ненужный углекислый газ по кровотоку доставляется в лёгкие, а затем выдыхается в окружающую среду.

Примитивные животные лишены кровеносной системы. У губок и кишечнополостных кислород поглощается и перемещается внутри тела за счёт диффузии. Новая порция кислорода приносится в тело губки или гидры вместе с током воды.У плоских и круглых червей также отсутствует кровь и кровеносные сосуды. Поглощённый кислород попадает в разветвлённый кишечник и вместе с пищей распространяется по всему телу.

У примитивных животных крови нет

Кровеносная система бывает двух типов:

1. Незамкнутая у моллюсков и членистоногих

Кровь таких животных называется гемолимфой. Сокращение сердца выталкивает гемолимфу из сосудов, гемолимфа «разливается» по всему телу и омывает органы. Затем сердце расслабляется, втягивая гемолимфу обратно в сосуды.При этом гемолимфа насекомых транспортирует по телу только питательные вещества и не участвует в дыхании!

2. Замкнутая у кольчатых червей и позвоночных

В замкнутой кровеносной системе кровь циркулирует только по закрытым сосудам и никогда их не покидает. Преимущество такой системы в том, что можно тонко регулировать ток крови, направляя его к тем или иным органам.