§15. Дихання як властивість живого. Органи дихання в безхребетних тварин. Еволюція дихальної системи хордових

До змісту

Відомо, що людина може протриматися без їжі максимально до 45 діб, без води — від 3 до 10 діб, а ось без повітря — лише від 3 до 5 хвилин. Навіть спеціально підготовлена й натренована людина може перебувати під водою без повітря максимум до 15 хвилин. Чому саме повітря потрібне людині щохвилини?

Повітря потрібне людині щохвилини, тому що в ньому є кисень, необхідний для дихання. Дихання — це процес, за допомогою якого клітини нашого тіла отримують енергію, окиснюючи органічні речовини. Ця енергія, що запасається у вигляді молекул АТФ, потрібна для всіх життєвих процесів. Без постійного надходження кисню з повітря виробництво енергії в клітинах припиняється, що дуже швидко призводить до загибелі організму.

Луї Пастер 1861 року відкрив «життя без кисню». Наразі відомо про існування численних організмів, для яких кисень не потрібний або й згубний. Це різні бактерії, одноклітинні евкаріоти, паразитичні черви та ін. Як ці організми існують без кисню? Чому відкриття Л. Пастера спричинило «революцію» в науці кінця XIX століття?

Ці організми, які називають анаеробами, існують без кисню, тому що отримують енергію іншими шляхами, наприклад, через бродіння (ферментацію). Це процес розщеплення поживних речовин для отримання енергії, який не потребує участі кисню.

Відкриття Луї Пастера спричинило «революцію», оскільки до нього панувала теорія, що будь-яке життя та процес бродіння неможливі без кисню. Пастер довів, що бродіння — це результат життєдіяльності мікроорганізмів, які можуть жити в безкисневому середовищі. Це повністю змінило уявлення про основи життя, довівши, що воно може існувати у формах, раніше невідомих науці, і заклало основи для мікробіології та теорії мікробного походження хвороб.

Робота в парі

Створіть схему дихання в клітинах евкаріот. Зобразіть клітину, ядро, мітохондрїї. Покажіть стрілками надходження до клітини органічних речовин — вуглеводів (С₆Н₁₂О₆) і кисню, а також вихід із клітини вуглекислого газу та води. Позначте утворення в клітині АТФ і розсіювання тепла.

Поділіться своїми думками

Звідки швидше випарується 100 мл води: зі склянки чи з пласкої тарілки? Поясніть чому.

Вода швидше випарується з пласкої тарілки. Це відбувається тому, що площа поверхні води в тарілці набагато більша, ніж у склянці. Чим більша площа, з якої відбувається випаровування, тим швидше рідина перетворюється на пару. Це схоже на те, як у тварин для ефективного дихання потрібна велика площа поверхні легень або зябер для газообміну.

Відкритий мікрофон

Відомо, що зяброві кришки кісткових риб рухаються й забезпечують потрапляння води, насиченої киснем, до зябер. А як тоді відбувається дихання в хрящових риб — акул і скатів, — якщо в них немає зябрових кришок? Чому вони не задихаються?

Оскільки у них немає зябрових кришок, які б прокачували воду через зябра, більшості з них потрібно постійно рухатися. Цей рух забезпечує безперервний потік води, яка омиває зябра, і таким чином риба отримує необхідний кисень. Деякі донні види скатів та акул можуть також використовувати м’язи глотки, щоб “закачувати” воду до зябер, що дозволяє їм дихати, лежачи на дні.

Знайдіть інформацію й виконайте завдання

Для чого дводишні риби використовують свої «легені»?

Дводишні риби використовують свої «легені», які формуються з плавального міхура, для дихання атмосферним повітрям. Це дозволяє їм виживати у водоймах, де мало кисню, або під час пересихання водойм.

Які особливості кровоносної системи мають ці риби?

Головна особливість кровоносної системи дводишних риб — це наявність двох кіл кровообігу, що є прообразом легеневого кола кровообігу. Їхнє передсердя частково розділене перегородкою на праву та ліву частини. У них є легеневі артерії, які несуть кров до легень, а з легень кров повертається легеневими венами до лівої частини передсердя. Це дозволяє частково розділити кров, збагачену киснем з легень, від крові, що йде від інших частин тіла

Навіщо кістковим рибам потрібні зяброві кришки?

Зяброві кришки кістковим рибам потрібні для дихання. Вони рухаються і працюють як насос (коли риба піднімає зяброву кришку, у зябровій порожнині створюється розріджений простір, і вода з рота надходить до зябер), що забезпечує постійний потік води, насиченої киснем, до зябер.

Яке це має пристосувальне значення?

Це має велике пристосувальне значення, оскільки завдяки рухам зябрових кришок риба може дихати, навіть коли нерухомо стоїть у воді. Це дозволяє їй економити енергію, ховатися від хижаків або чекати на здобич у засідці. Також кришки надійно захищають ніжні зяброві пелюстки. Хрящові риби, як-от акули, у яких немає зябрових кришок, змушені постійно рухатися, щоб вода омивала їхні зябра.

Відкритий мікрофон.

Підготуйте інформацію для обговорення теми: «Адаптація дихальної системи тварин до життя: а) під водою, б) у високогірних районах».

а) Адаптація дихальної системи тварин до життя під водою

1. Дихання поверхнею тіла (дифузія): Найдрібніші водні тварини, як-от гідра, планарія або дафнії, не мають спеціальних органів дихання. Газообмін у них відбувається через всю поверхню тіла шляхом дифузії, і цього їм вистачає.
2. Зябра: Це найпоширеніший орган дихання у водних тварин.
   • Безхребетні: У раків, молюсків, морських червів є зябра — тонкі вирости тіла з густою сіткою капілярів, які ефективно поглинають кисень з води.
   • Риби: У риб зябра є основним органом дихання. Кісткові риби мають зяброві кришки, які, рухаючись, створюють постійний потік води через зябра, що дозволяє дихати навіть у нерухомому стані. Акули та скати, які не мають кришок, змушені постійно рухатися, щоб вода омивала зябра.
3. Легені: Деякі водні тварини дихають легенями, тому їм потрібно періодично виринати на поверхню, щоб вдихнути повітря.
   • Дводишні риби: Мають і зябра, і «легені» (виріст плавального міхура), що дозволяє їм дихати повітрям, коли у воді мало кисню.
   • Водні ссавці: Кити, дельфіни, тюлені дихають легенями, тому вони регулярно піднімаються на поверхню для вдиху. У них великий об’єм легень та ефективна кровоносна система, що дозволяє довго перебувати під водою.

б) Адаптація дихальної системи тварин до життя у високогірних районах

У горах повітря розріджене, тобто в ньому менше кисню. Тому тварини, що там живуть, мають особливі пристосування:

1. Ефективніші легені: Легені гірських тварин (наприклад, яків, лам) часто мають більший об’єм та більшу кількість альвеол. Це збільшує площу для газообміну, дозволяючи захопити більше кисню з кожного вдиху.
2. Зміни в крові: У крові тварин, що живуть високо в горах, більше еритроцитів, а їхній гемоглобін має підвищену здатність зв’язувати кисень. Це дозволяє крові переносити більше кисню до клітин навіть за його низького вмісту в повітрі.
3. Подвійне дихання птахів: Птахи, що літають на великих висотах (наприклад, гірські гуси), мають унікальну систему дихання. Завдяки повітряним мішкам їхні легені отримують кисень і під час вдиху, і під час видиху. Це найефективніша дихальна система серед хребетних, що ідеально підходить для умов високогір’я.

Розв’язання проблемних питань і завдань із теми

Спрогнозуйте особливості еволюції дихальної системи наземних хордових, якби атмосфера Землі містила не 21%, а 35% кисню.

Якби в атмосфері було 35% кисню, еволюція дихальної системи наземних хордових могла б піти іншим шляхом:

• Менш розвинені легені: З вищою концентрацією кисню для отримання його необхідної кількості не потрібна була б така велика площа поверхні легень. Можливо, легені були б простішими, меншими за розміром, схожими на мішкоподібні легені амфібій, а не на складні альвеолярні легені ссавців.
• Збереження шкірного дихання: Можливо, у деяких груп тварин шкірне дихання збереглося б як значний спосіб газообміну, оскільки через шкіру могло б надходити достатньо кисню.
• Гігантизм: Високий рівень кисню міг би сприяти розвитку гігантських форм тварин, зокрема комах (як це було в кам’яновугільному періоді), оскільки їхня трахейна система дихання стала б ефективнішою. Для хребетних це також могло б означати збільшення розмірів тіла, оскільки метаболізм був би більш інтенсивним.
• Менш ефективна кровоносна система: Можливо, не було б потреби в такій складній чотирикамерній будові серця та настільки ефективному гемоглобіні, оскільки кров легше насичувалася б киснем.

Запитання і завдання

1. Прочитайте текст. An animal has a trachea, bronchi, and well-developed lungs with small air sacs. Air is drawn into the lungs by means of intercostal muscle contraction and chest movements. The animal is unable to breathe through its skin due to the presence of horny integuments.

До якої групи належить тварина з названими особливостями дихальної системи?

Тварина належить до групи рептилій. Це випливає з таких ознак:

• наявність трахеї та бронхів;
• добре розвинені легені з дрібними комірками (але ще не альвеолами);
• дихання за допомогою скорочення міжреберних м’язів і рухів грудної клітки;
• нездатність дихати через шкіру через наявність зроговілих покривів.

Ці характеристики повністю відповідають опису дихальної системи рептилій, наведеному в тексті.

2. Про яку здатність тварин ідеться в прислів’ї «Де птахів немає, там і жаби за солов’я зійдуть»? Чим відрізняється механізм цієї здатності в жаб? Чи потрібні для цього легені? Чи є біологічне підґрунтя в значенні цього вислову?

Здатність: Ідеться про здатність видавати звуки, тобто про «спів».

Механізм у жаб: На відміну від птахів, які використовують голосові зв’язки в нижній гортані, жаби створюють звуки, пропускаючи повітря з легень через гортань до ротової порожнини і спеціальних резонаторів (звукових мішків). Тобто, для “співу” жабам потрібні легені.

Біологічне підґрунтя: Так, біологічне підґрунтя є. І птахи, і жаби видають звуки для спілкування, зокрема для приваблення партнера. Хоча «спів» жаб (квакання) значно простіший за спів солов’я, у своєму середовищі він виконує ту ж саму комунікативну функцію.

3. Відомо, що у хвостатих амфібій шкірне дихання переважає над легеневим, а в безхвостих амфібій, навпаки, переважає легеневе дихання. А ось личинки всіх амфібій дихають зябрами. Поясніть, чому відбувається саме так. Які умови навколишнього середовища й особливості будови амфібій сприяли формуванню таких адаптацій?

Такі відмінності в диханні амфібій пов’язані з їхнім способом життя та середовищем існування.

• Личинки амфібій (пуголовки) живуть у воді, тому вони дихають зябрами, як риби. Це найкращий спосіб отримувати кисень, розчинений у воді.
• Хвостаті амфібії (наприклад, саламандри, тритони) переважно ведуть водний або прихований спосіб життя у вологих місцях. Їхня шкіра завжди волога і через неї відбувається значна частина газообміну. Легені у них розвинені слабо, тому шкірне дихання є основним.
• Безхвості амфібії (наприклад, жаби) більш пристосовані до життя на суходолі. Вони активніші, тому потребують більше енергії й, відповідно, кисню. Їхні легені розвинені краще, ніж у хвостатих, і легеневе дихання переважає. Однак шкіра у них теж волога і бере участь у диханні, але як допоміжний орган.

Формуванню таких адаптацій сприяли умови середовища: доступність води та рівень вологості. Необхідність виходу на суходіл стимулювала розвиток легень, але залежність від водного середовища для розмноження та зволоження шкіри зберегла у них здатність до шкірного дихання.