専攻IIの生物学
学習成果
- 肺のない動物によって使用される呼吸プロセスを議論
図1. 単細胞藻類Ventricaria ventricosaの細胞は、直径が一から五センチメートルに達する、知られている最大の一つです。 すべての単細胞生物と同様に、v.ventricosaは細胞膜を横切ってガスを交換する。
すべての好気性生物は、代謝機能を実行するために酸素を必要とします。 進化の木に沿って、異なる生物は、周囲の大気から酸素を得るための異なる手段を考案しました。 動物が生活する環境は、動物がどのように呼吸するかを大きく決定する。 呼吸器系の複雑さは、生物の大きさと相関している。 動物のサイズが大きくなるにつれて、拡散距離が増加し、表面積と体積の比が低下する。 単細胞生物では、細胞膜を横切る拡散は、細胞に酸素を供給するのに十分である（図1）。
拡散はゆっくりとした受動的な輸送プロセスです。 拡散が細胞に酸素を提供する実現可能な手段であるためには、酸素取り込みの速度は、膜を横切る拡散の速度と一致しなければならない。 換言すれば、細胞が非常に大きいかまたは厚い場合、拡散は細胞の内部に十分に迅速に酸素を提供することができないであろう。 したがって、酸素を得て二酸化炭素を除去する手段としての拡散への依存性は、小さな生物または高度に平坦化された体を有する生物、多くの扁形動物（Platyhelminthes）に対してのみ実現可能である。 より大きな生物は、鰓、肺、複雑な循環系を伴う呼吸路などの特殊な呼吸組織を進化させ、全身に酸素を輸送しなければならなかった。
直接拡散
呼吸のこのflatwormのプロセスは外の膜を渡る拡散によって働きます。 (credit:Stephen Childs)
小さな多細胞生物では、外膜を横切る拡散は酸素の必要性を満たすのに十分である。 表面の膜を渡る直接拡散によるガス交換は有機体のために有効直径の1つのmmよりより少しである。 Cnidariansやflatwormsのような単純な生物では、体内のすべての細胞は外部環境に近いです。 細胞は湿った保たれ、ガスは直接拡散によってすぐに拡散する。 扁形動物は小さく、文字通り平らな虫であり、外膜を横切って拡散することによって”呼吸する”（図2）。 これらの生物の平らな形状は、拡散のための表面積を増加させ、体内の各細胞が外膜表面に近く、酸素へのアクセスを有することを保証する。 扁平虫が円筒形の体を持っていた場合、中央の細胞は酸素を得ることができないでしょう。ミミズと両生類は、皮膚（外皮）を呼吸器官として使用します。
皮膚と鰓
ミミズと両生類は、皮膚（外皮）を呼吸器官として使用します。
皮膚と鰓
細血管の密なネットワークは、皮膚のすぐ下にあり、外部環境と循環系との間のガス交換を容易にする。 呼吸の表面はガスが細胞膜を渡って分解し、拡散することができるように湿った保たれなければなりません。
図3. この一般的な鯉は、他の多くの水生生物と同様に、水から酸素を得ることを可能にする鰓を持っています。 （クレジット: “Guitardude012″/Wikimedia Commons)
水に住む生物は水から酸素を得る必要があります。 酸素は水に溶けますが、大気中よりも低い濃度で溶解します。 大気中には約21%の酸素が存在する。 水中では、酸素濃度はそれよりもはるかに小さい。 魚や他の多くの水生生物は、水から溶存酸素を取り込むために鰓を進化させてきました（図3）。 鰓は、高度に分岐し、折り畳まれた薄い組織フィラメントである。 水が鰓の上を通過すると、水中の溶存酸素は鰓を横切って血流に急速に拡散する。 その後、循環系は酸素化された血液を身体の他の部分に運ぶことができます。 血液の代わりに体腔液を含む動物では、酸素は鰓表面を横切って体腔液に拡散する。 鰓は軟体動物、環形動物、甲殻類に見られる。
鰓の折り畳まれた表面は、魚が十分な酸素を得ることを確実にするために大きな表面積を提供する。 拡散は、物質が高濃度の領域から低濃度に移動し、平衡に達するまでのプロセスである。 この場合、低濃度の酸素分子を有する血液が鰓を循環する。 水中の酸素分子の濃度は、鰓中の酸素分子の濃度よりも高い。 その結果、図4に示すように、酸素分子は水（高濃度）から血液（低濃度）に拡散する。 同様に、血液中の二酸化炭素分子は、血液（高濃度）から水（低濃度）に拡散する。
図4. 鰓の上を水が流れると、酸素は静脈を介して血液に伝達されます。 (credit”fish”:modification of work by Duane Raver,NOAA)
気管システム
図5. 昆虫は気管システムを介して呼吸を行う。昆虫の呼吸は、その循環系とは無関係であるため、血液は酸素輸送に直接的な役割を果たしていない。
昆虫の呼吸は、その循環系とは無関係であ 昆虫は、全身に酸素を運ぶ小さな管のネットワークで構成されている気管システムと呼ばれる呼吸器系の高度に特殊化されたタイプを持っています。 気管系は、活動動物の中で最も直接的かつ効率的な呼吸器系である。 気管システムの管はキチンと呼出される重合体材料のなされます。
昆虫の体は、胸郭と腹部に沿って、螺旋と呼ばれる開口部を持っています。 これらの開口部は管状ネットワークに接続され、酸素が体内に入ることを可能にし（図54）、CO2および水蒸気の拡散を調節する。 空気はspiraclesを通って気管システムに入り、去る。 いくつかの昆虫は、体の動きで気管系を換気することができます。
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