Водное дыхание - Aquatic respiration

Морские слизни дышат через жабры (или ктенидии)

Водное дыхание - это процесс, при котором водный организм обменивается дыхательными газами с водой , получая кислород из растворенного в воде кислорода и выделяя в воду углекислый газ и некоторые другие продукты метаболизма.

Одноклеточные и простые мелкие организмы

У очень мелких животных, растений и бактерий простой диффузии газообразных метаболитов достаточно для дыхательной функции, и не обнаружено никаких специальных приспособлений, способствующих дыханию. Пассивная диффузия или активный транспорт также являются достаточными механизмами для многих крупных водных животных, таких как многие черви , медузы , губки , мшанки и подобные организмы. В таких случаях не обнаруживаются специфические органы дыхания или органеллы.

Высшие растения

Хотя высшие растения обычно используют углекислый газ и выделяют кислород во время фотосинтеза, они также дышат, и, особенно в темноте, многие растения выделяют углекислый газ и нуждаются в кислороде для поддержания нормальных функций. У полностью погруженных в воду высших растений специальные структуры, такие как устьица на поверхности листьев, контролируют газообмен. У многих видов эти структуры можно контролировать, чтобы они были открытыми или закрытыми в зависимости от условий окружающей среды. В условиях высокой интенсивности света и относительно высоких концентраций карбонат-ионов кислород может вырабатываться в достаточных количествах для образования пузырьков газа на поверхности листьев и может вызывать перенасыщение кислородом в окружающем водоеме.

Животные

Все животные, которые практикуют истинное водное дыхание, пойкилотермны . Все водные гомеотермные животные и птицы, включая китообразных и пингвинов , дышат воздухом, несмотря на полностью водный образ жизни.

Иглокожие

Иглокожие имеют специализированную водную сосудистую систему, которая обеспечивает ряд функций, включая обеспечение гидравлической энергии для трубчатых ножек, но также служит для переноса насыщенной кислородом морской воды в тело и повторного вывода ее наружу. У многих родов вода поступает через мадрепорит , решетчатую структуру на верхней поверхности, но также может поступать через реснички в ножках трубки или через специальные решетчатые органеллы.

Рыбы

Большинство рыб обмениваются газами, используя жабры по обе стороны от глотки (горла), образуя спланхнокраниум ; Splanchnocranium является частью скелета, где хрящ черепа сходится с хрящом глотки и связанными с ним частями. Жабры - это ткани, которые состоят из нитевидных структур, называемых нитями . Эти нити выполняют множество функций и участвуют в переносе ионов и воды, а также в обмене кислорода, углекислого газа, кислоты и аммиака. Каждая нить накала содержит капиллярную сеть, которая обеспечивает большую площадь поверхности для обмена газов и ионов. Рыбы обмениваются газами, вытягивая богатую кислородом воду через рот и перекачивая ее через жабры. У таких видов, как колючая морская собачка и другие акулы и скаты, в верхней части головы существует дыхальце, которое перекачивает воду в жабры, когда животное не находится в движении. У некоторых рыб капиллярная кровь течет в направлении, противоположном воде, вызывая противоточный обмен . Мышцы по бокам глотки выталкивают обедненную кислородом воду через жаберные отверстия. У костистых рыб перекачиванию воды с низким содержанием кислорода помогает кость, окружающая жабры, которая называется Operculum (рыба) .

Моллюски

Моллюски обычно обладают жабрами, которые обеспечивают обмен дыхательных газов из водной среды в кровеносную систему. У этих животных есть сердце, которое перекачивает кровь, содержащую гемоцианин в качестве молекулы, улавливающей кислород. Дыхательная система брюхоногих может включать в себя либо жабру или легкое.

Членистоногие

Водные членистоногие обычно обладают той или иной формой жабр, в которых происходит газообмен путем диффузии через экзоскелет . Другие могут дышать атмосферным воздухом, оставаясь в воде, через дыхательные трубки или захваченные пузырьки воздуха, хотя некоторые водные насекомые могут оставаться в воде на неопределенное время и дышать с помощью пластрона . У ряда насекомых есть фаза водной молоди и фаза взрослой особи на суше. В этом случае при окончательном шелушении теряются приспособления к жизни в воде . Ряд заказов насекомых , такие как поденки , ручейники и Каменные мухи есть водная стадия ювенальной в то время как некоторые заказы , такие как чешуекрылые есть лишь несколько примеров , такие как Китай отмечает моль . Очень немногие паукообразные приняли водный образ жизни, в том числе паук-водолазный колокол . Во всех случаях кислород поступает из воздуха, захваченного волосками вокруг тела животного.

Водные рептилии

Все водные рептилии вдыхают воздух в легкие. Анатомическое строение из легких является менее сложными рептилиями , чем у млекопитающих , с рептилией не хватает очень обширной структуры дыхательных путей дерева нашли в легких млекопитающих. Газообмен у рептилий по-прежнему происходит в альвеолах ; однако у рептилий нет диафрагмы . Таким образом, дыхание происходит за счет изменения объема полости тела, которое контролируется сокращением межреберных мышц у всех рептилий, кроме черепах . У черепах сокращение определенных пар боковых мышц определяет вдох или выдох .

См. Также рептилии для более подробного описания дыхательной системы этих животных.

Амфибии

И легкие, и кожа служат органами дыхания у земноводных . Кожа этих животных сильно васкуляризована и влажная, а влажность поддерживается за счет секреции слизи из специализированных клеток. Хотя легкие имеют первостепенное значение для контроля дыхания, уникальные свойства кожи способствуют быстрому газообмену, когда земноводные погружаются в воду, богатую кислородом.

Водные птицы

Все птицы, включая ныряющих и океанических пелагических птиц, дышат обычными легкими, вдыхают газы из воздуха и выдыхают газы в воздух.

Жабры

Вид сзади на жабры тунца

Многие водные животные имеют развитые жабры для дыхания , которые специально адаптированы к их функции. У рыбы, например, есть:

Большая площадь поверхности, позволяющая как можно большему количеству кислорода поступать в жабры, поскольку большая часть газа контактирует с мембраной.
Хорошее кровоснабжение для поддержания необходимого градиента концентрации
Тонкая мембрана, обеспечивающая короткий путь диффузии
каждая жаберная дуга имеет два ряда (полужаберных) жаберных нитей
каждая жаберная нить имеет много ламелей

У osteichthyes жабры содержат по 4 жаберные дуги с каждой стороны головы, по две с каждой стороны для хондрихтисов или по 7 жаберных корзин с каждой стороны головы рыбы у миног . У рыб длинная костяная оболочка жабр ( жаберная крышка ) может использоваться для выталкивания воды. Некоторые рыбы перекачивают воду с помощью жаберной крышки. Без жаберной крышки требуются другие методы, например, таранная вентиляция . Некоторые виды акул используют эту систему. Когда они плавают, вода течет в рот и через жабры. Поскольку эти акулы полагаются на эту технику, они должны продолжать плавать, чтобы дышать.

Костные рыбы используют противоток, чтобы максимально увеличить потребление кислорода, который может диффундировать через жабры. Противоток возникает, когда дезоксигенированная кровь движется через жабры в одном направлении, а насыщенная кислородом вода движется через жабры в противоположном направлении. Этот механизм поддерживает градиент концентрации, тем самым повышая эффективность процесса дыхания и предотвращая достижение равновесия уровня кислорода . У хрящевой рыбы нет системы противотока, поскольку у нее нет костей, которые необходимы для раскрытия жабр, как у костистой рыбы.

Контроль дыхания

У рыб нейроны, расположенные в стволе мозга рыб, ответственны за генезис дыхательного ритма . Положение этих нейронов немного отличается от центров респираторного генеза у млекопитающих , но они находятся в том же отсеке головного мозга, что вызвало дебаты о гомологии в дыхательных центрах между водными и наземными видами. Как в водном, так и в земном дыхании точные механизмы, с помощью которых нейроны могут генерировать этот непроизвольный ритм, до сих пор полностью не изучены (см. Непроизвольный контроль дыхания ).

Дыхательный ритм регулируется для адаптации к потреблению кислорода организмом. Как наблюдали у млекопитающих, рыбы «дышат» быстрее и тяжелее, когда они занимаются физическими упражнениями . Механизмы, с помощью которых происходят эти изменения, были предметом обсуждения. Взгляды можно классифицировать так: либо основная часть респираторных изменений запрограммирована в головном мозге, что означает, что нейроны из локомоционных центров мозга подключаются к дыхательным центрам в ожидании движений, либо что большая часть респираторные изменения возникают в результате обнаружения сокращения мышц, и это дыхание адаптируется как следствие сокращения мышц и потребления кислорода. Последняя точка зрения подразумевает, что мозг обладает какими-то механизмами обнаружения, которые запускают респираторный ответ при сокращении мышц.

Многие теперь согласны с тем, что оба механизма, вероятно, присутствуют и дополняют друг друга или работают вместе с механизмом, который может обнаруживать изменения в насыщении крови кислородом и / или углекислым газом.

Languages

In other projects