Biologia dla kierunku II

Rysunek 1. Komórka jednokomórkowej algi Ventricaria ventricosa jest jedną z największych znanych, osiągając od jednego do pięciu centymetrów średnicy. Podobnie jak wszystkie organizmy jednokomórkowe, V. ventricosa wymienia gazy przez błonę komórkową.

wszystkie organizmy tlenowe potrzebują tlenu do wykonywania swoich funkcji metabolicznych. Wzdłuż drzewa ewolucyjnego różne organizmy opracowały różne sposoby pozyskiwania tlenu z otaczającej atmosfery. Środowisko, w którym żyje zwierzę, w znacznym stopniu decyduje o tym, jak zwierzę oddycha. Złożoność układu oddechowego jest skorelowana z wielkością organizmu. Wraz ze wzrostem wielkości zwierząt, odległości dyfuzji rosną, a stosunek powierzchni do objętości spada. W organizmach jednokomórkowych dyfuzja przez błonę komórkową jest wystarczająca do dostarczania tlenu do komórki (ryc. 1).

Dyfuzja jest powolnym, pasywnym procesem transportu. Aby dyfuzja była wykonalnym sposobem dostarczania tlenu do komórki, szybkość pobierania tlenu musi odpowiadać szybkości dyfuzji przez membranę. Innymi słowy, gdyby komórka była bardzo duża lub gruba, dyfuzja nie byłaby w stanie dostarczyć tlenu wystarczająco szybko do wnętrza komórki. Dlatego uzależnienie od dyfuzji jako sposobu pozyskiwania tlenu i usuwania dwutlenku węgla pozostaje możliwe tylko dla małych organizmów lub tych o silnie spłaszczonych ciałach, takich jak płazińce (Platyhelminthes). Większe organizmy musiały wyewoluować wyspecjalizowane tkanki oddechowe, takie jak skrzela, płuca i drogi oddechowe, którym towarzyszył złożony układ krążenia, aby transportować tlen w całym ciele.

Dyfuzja bezpośrednia

Rysunek 2. Ten flatworm proces oddychania działa poprzez dyfuzję przez zewnętrzną membranę. (kredyt: Stephen Childs)

dla małych organizmów wielokomórkowych, dyfuzja przez zewnętrzną błonę jest wystarczająca, aby zaspokoić ich zapotrzebowanie na tlen. Wymiana gazowa poprzez bezpośrednią dyfuzję przez membrany powierzchniowe jest skuteczna dla organizmów o średnicy mniejszej niż 1 mm. W prostych organizmach, takich jak cnidarians i płazińce, każda komórka w organizmie jest blisko środowiska zewnętrznego. Ich komórki są wilgotne, a gazy rozpraszają się szybko poprzez dyfuzję bezpośrednią. Płazińce to małe, dosłownie płaskie robaki, które „oddychają” przez dyfuzję przez zewnętrzną membranę (ryc. 2). Płaski kształt tych organizmów zwiększa powierzchnię dyfuzji, zapewniając, że każda komórka w ciele znajduje się blisko zewnętrznej powierzchni błony i ma dostęp do tlenu. Jeśli flatworm miał cylindryczne ciało, komórki w centrum nie byłyby w stanie uzyskać tlenu.

skóra i skrzela

dżdżownice i płazy wykorzystują swoją skórę (powłokę) jako narząd oddechowy. Gęsta sieć naczyń włosowatych znajduje się tuż pod skórą i ułatwia wymianę gazową między środowiskiem zewnętrznym a układem krążenia. Powierzchnia oddechowa musi być wilgotna, aby gazy mogły się rozpuścić i rozproszyć przez błony komórkowe.

Rysunek 3. Ten wspólny karp, podobnie jak wiele innych organizmów wodnych, ma skrzela, które pozwalają mu uzyskać tlen z wody. (kredyt: „Guitardude012″/Wikimedia Commons)

organizmy żyjące w wodzie muszą pozyskiwać tlen z wody. Tlen rozpuszcza się w wodzie, ale w mniejszym stężeniu niż w atmosferze. Atmosfera zawiera około 21 procent tlenu. W wodzie stężenie tlenu jest znacznie mniejsze. Ryby i wiele innych organizmów wodnych wyewoluowały skrzela do pobierania rozpuszczonego tlenu z wody (ryc. 3). Skrzela są cienkimi włóknami tkankowymi, które są silnie rozgałęzione i pofałdowane. Gdy woda przechodzi przez skrzela, rozpuszczony tlen w wodzie gwałtownie dyfunduje przez skrzela do krwiobiegu. Układ krążenia może następnie przenosić natlenioną krew do innych części ciała. U zwierząt, które zawierają płyn coelomic zamiast krwi, Tlen dyfunduje przez powierzchnie skrzelowe do płynu coelomic. Skrzela występują u mięczaków, annelidów i skorupiaków.

złożone powierzchnie skrzeli zapewniają dużą powierzchnię, aby zapewnić rybom wystarczającą ilość tlenu. Dyfuzja jest procesem, w którym materiał przemieszcza się z regionów o wysokim stężeniu do niskiego stężenia, aż do osiągnięcia równowagi. W tym przypadku krew o niskim stężeniu cząsteczek tlenu krąży przez skrzela. Stężenie cząsteczek tlenu w wodzie jest wyższe niż stężenie cząsteczek tlenu w skrzelach. W rezultacie cząsteczki tlenu dyfundują z wody (wysokie stężenie) do krwi (niskie stężenie), jak pokazano na fig.4. Podobnie cząsteczki dwutlenku węgla we krwi dyfundują z krwi (wysokie stężenie) do wody (Niskie stężenie).

Rysunek 4. Gdy woda przepływa przez skrzela, tlen jest przenoszony do krwi przez żyły. (kredyt „ryba”: modyfikacja pracy Duane ’ a Ravera, NOAA)

tchawica

Rysunek 5. Owady wykonują oddychanie przez system tchawicy.

oddychanie owadów jest niezależne od układu krążenia, dlatego krew nie odgrywa bezpośredniej roli w transporcie tlenu. Owady mają wysoce wyspecjalizowany typ układu oddechowego zwany układem tchawiczym, który składa się z sieci małych rurek, które przenoszą tlen do całego ciała. System tchawicy jest najbardziej bezpośrednim i wydajnym układem oddechowym u aktywnych zwierząt. Rurki w układzie tchawiczym wykonane są z polimerowego materiału zwanego chityną.

ciała owadów mają otwory, zwane spiralami, wzdłuż klatki piersiowej i brzucha. Otwory te łączą się z siecią rurową, umożliwiając przenikanie tlenu do ciała (rys. 54) i regulując dyfuzję CO2 i pary wodnej. Powietrze wchodzi i opuszcza system tchawicy przez spirale. Niektóre owady mogą przewietrzyć system tchawicy ruchami ciała.

popraw tę stronęucz się więcej