04. Органы дыхания и газообмен

Без воздуха мы не можем прожить и нескольких минут. Но почему это так? Каково значение газообмена и дыхания у разных групп животных? Что мы получаем за счёт газообмена в лёгких? Из этого урока вы узнаете, какие ещё органы газообмена характерны для живых организмов, что такое трахеи и жабры, чем они отличаются от лёгких. Вам станет понятно, как интенсивность дыхания связана с интенсивностью обмена веществ, а также, как и в каких случаях можно обходиться без кислорода. Вы узнаете об аэробных и анаэробных организмах, а также о том, чем дыхание похоже на горение и чем эти процессы отличаются друг от друга. Вы выясните, кто такие двоякодышащие и почему у птиц дыхание тоже двойное. Вам станет понятна эволюция органов дыхания и кровеносной системы у разных групп позвоночных животных, а кроме этого, вы разберётесь в особенностях собственного дыхания и роли в нём диафрагмы и межрёберных мышц.

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.

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).

Другим простейшим, а их всё 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).

Небольшие животные, как и простейшие, способны дышать через всю поверхность тела. Каждая клетка, к примеру крошечной турбеллярии, находится от поверхности недалеко. Кислород ко всем тканям и органам поступает путём 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. Газообмен у животных различных систематических групп

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

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 путём простой диффузии.

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 неё недалеко. Именно поэтому крупные свободноживущие плоские черви могут быть тонкими, как бумага. Транспорт кислорода осуществляется разветвлённым кишечником (рис. 8).

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

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

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). 

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

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).

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

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

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

Органы дыхания насекомых — это трахеи, которые пронизывают всё 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).

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

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.

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

У наземных брюхоногих моллюсков образуются лёгкие. 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).

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

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 идёт через покровы глотки (рис. 24).

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).

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

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.

Лёгкие — это полые тонкостенные мешки, оплетённые густой сетью мельчайших кровеносных сосудов — капилляров.

Диффузия кислорода из воздуха в капилляры происходит на внутренней поверхности лёгких. Соответственно, чем это внутренняя поверхность больше, тем активнее идёт диффузия.

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

У пресмыкающихся кожа сухая, газообмен через неё практически не идёт. Внутренняя поверхность лёгкого пресмыкающихся имеет более сложное устройство, чем у амфибий (рис. 29). В лёгких появляются многочисленные выросты и лёгочные перегородки, всё это значительно увеличивает внутреннюю поверхность лёгких (рис. 30).

Птицы во время активного полёта тратят кислород с огромной скоростью, и газообмен у них протекает в связи с этим наиболее сложно. Лёгкие 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 лёгкие 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).

 В покое дыхание птиц обеспечивается движениями грудной клетки. Опускаясь, грудина увеличивает её объём и растягивает воздушные мешки. Устремляясь в них, воздух проходит через лёгкие, 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 полёте движения грудной клетки исключены, а дыхание осуществляется за счёт движение крыльев. При поднятии крыльев воздушные мешки растягиваются, а при опускании происходит выдох.

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

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

Лёгкие губчатые, в лёгких бронхи ветвятся (рис. 34), по разветвлениям воздух попадает в лёгочные пузырьки, или альвеолы. Альвеолы оплетены густой сетью мельчайших капилляров. Вентиляцию лёгких обеспечивает движение появившейся диафрагмы.

Диафрагма — непарная мышца, разделяющая грудную и брюшную полости, служащая для расширения лёгких. 

Также дыханию способствует сокращение и расслабление межрёберных мышц. Вдох сопровождается увеличением объёма грудной клетки, а выдох приводит к её уменьшению (рис. 35, 36).

Анаэробные животные

Как вы уже знаете, многие простейшие анаэробны. Среди многоклеточных животных анаэробный обмен веществ встречается реже, но всё 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.

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).

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. 

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 неё осуществляется слабо.

У взрослых особей большинства видов амфибий имеются лёгкие не очень большого объёма и с небольшой внутренней поверхностью. Дышат они и через кожу и лёгкими (рис. 42).

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

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 лёгочное дыхание у наземных позвоночных, они всё ещё 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 лёгких 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. — Москва: Дрофа, 2011.

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

3. Биология:  8 класс: базовый уровень: учебник / В. В. Пасечник, С. В. Суматохин, З. Г. Гапонюк; под ред. В. В. Пасечника. — Москва: Просвещение, 2023. — (Линия жизни).

Проверьте себя

1. В чём 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.

Список использованных источников:

Рис. 1–6, 8–17, 20, 22, 25, 27, 28, 34, 37, 38, 41–43. Изображения используются согласно лицензии Shutterstock/FOTODOM.
Рис. 7, 18, 19, 21, 23, 24, 26, 29, 30.2, 31, 32, 33, 35, 36, 39, 40. Иллюстратор Лайтарук Е. Б.