Przystosowanie organizmów do oddychania jako potwierdzenie ewoluowania organizmów zwierzęcych

W przypadku małych zwierząt wodnych (gąbki, obleńce płazińce) wymiana gazowa przebiega w mało skomplikowany sposób. Następuje bowiem dyfuzja rozpuszczonego w wodzie tlenu do wnętrza komórek, natomiast dwutlenek węgla usuwany jest na zewnątrz także dzięki dyfuzji. W tym wypadku niepotrzebne są zwierzętom wyspecjalizowane narządy oddechowe w związku z ich prostą budową, niewielkimi rozmiarami a przede wszystkim stosunkowo większą powierzchnią od objętości ciała. Tempo metabolizmu w ich przypadku jest zazwyczaj niewielkie, a co za tym idzie ich zapotrzebowanie na tlen także nie jest duże. Natomiast jeśli chodzi o płazińce i obleńce tlen nie jest im w ogóle potrzebny w związku z ich beztlenowym, pasożytniczym trybem życia. Pierścienice także potrafią oddychać powierzchnią swojego ciała, jednakże umożliwia im to inna właściwość: ich komórki gruczołowe znajdujące się w naskórku wydzielają śluz, który nawilżając skórę umożliwia swobodną dyfuzję. Tlen w przypadku wspomnianych organizmów wodnych rozpuszczał się w wodzie, natomiast u pierścienic jest on w stanie rozpuścić się w śluzie, przemieścić się dyfuzyjnie przez warstwy naskórka docierając następnie do naczyń włosowatych znajdujących się pod naskórkiem. Należy wiedzieć, że nie wszystkie pierścienice stosują jedynie tą metodę oddychania. Wieloszczety posiadają prócz naczyń włosowatych przy naskórku także unaczynione wyrostki powłok ciała, czyli tzw. skrzela umiejscowione na parapodiach- odnóżach. U stawonogów układ oddechowy jest w zależności od grupy inaczej wykształcony. U skorupiaków są to skrzela, tchawki u owadów, zaś płucotchawki występują u pajęczaków. Umiejscowione są one podobnie jak u wieloszczetów w odnóżach. Jeśli chodzi o stawonogi wyżej uorganizowane u podstawy ich odnóży krocznych występują blaszkowate, cienkościenne skrzela. W przypadku mniejszych form nie ma specjalnych narządów oddechowych z racji oddychania powierzchnią ciała. Jeśli chodzi o skorupiaki, to większość tej grupy posługuje się skrzelami znajdującymi się na członach odnóży podstawowych. U form drobniejszych same odnóża przejmują funkcje oddechowe posiadając hemolimfatyczne przestrzenie dobrze rozwinięte, często też oddychają one całą powierzchnią ciała.

W przypadku pajęczaków funkcje oddechowe przyjmują płucotchawki, czyli rozgałęzienia pni tchawkowych, które są spłaszczone i grzebykowate. Płucotchawki omywane są przez hemolimfę po to by transportować gazy oddechowe. U owadów układ oddechowy buduje system rozgałęzionych rurek, który nazywamy tchawkami. Aby powietrze mogło dostać się do tchawek musi pokonać niewielkie otwory znajdujące się w powierzchni ciała zwane przetchlinkami. Następnie przechodzi ono przez system rozgałęzionych tchawek by w końcu dostać się do każdej komórki. Tchawki zakończone są ślepo, delikatnymi tracheolami o mikroskopijnej wielkości. Są one wypełnione płynem aby mogła zajść dyfuzja gazów do i z komórki. Dzięki temu możliwe jest dostarczenie tlenu bezpośrednio do właściwie każdej komórki oprócz komórek układu krążenia a co za tym idzie zapewnienie wysokiej wydajności w wymianie gazowej, co jest niezwykle potrzebne owadom do lotu.

U niższych strunowców układ oddechowy stanowią zwykle skrzela znajdujące się w okolicy gardzieli, która poprzebijana jest skrzelowymi szczelinami. Są one odgrodzone ściankami wzmocnionymi elementami szkieletu, tworzącymi łuki skrzelowe. Na nich umieszczone są listki skrzelowe bogato unaczynione, które gdy są powycinane tworzą blaszki skrzelowe. Skrzela mogą być okryte kostną płytką jak w przypadku ryb kostnoszkieletowych tworząc pokrywę skrzelową lub wieczko skrzelowe. Ich celem jest m.in. pompowanie wody natlenionej do wnętrza ciała. U ryb nie spotykamy się z drogami oddechowymi, ich rolę przyjmuje przełyk. Skrzela to narządy oddechowe występujące jedynie u zwierząt wodnych, gdyż warunkiem ich funkcjonowania jest stały przepływ wody. Są one zawsze wilgotne, gdyż wyschnięcie spowodowałoby ich zapadnięcie. Są zwierzęta posiadające skrzela wystające ponad powierzchnię ciała, może być jednak tak, że jedynie zewnętrzna powierzchnia tych cienkich struktur ma kontakt z wodą, kiedy wewnętrzna styka się ściśle z siecią krwionośnych naczyń. Od ryb płucodysznych pochodzą płazy (żaby, salamandry), świadczy o tym fakt, iż ich środowisko życia stanowi prócz lądu wciąż jeszcze woda, a także posiadanie płuc o podobny w budowie do pęcherza pławnego ryb. Należy wiedzieć, że płuca u prymitywnych ryb uległy przeobrażeniu w narząd hydrostatyczny, który umożliwia rybie kontrolę głębokości. W zależności od stadium rozwojowego płazy posiadają zarówno skrzela u form larwalnych jak i płuca workowate u form dorosłych. Płuca płazów są długimi, parzystymi workami, które oplecione są siecią naczyń krwionośnych. Ich powierzchnia wewnętrzna jest już nieco zwiększona poprzez fałdowanie, dzięki czemu zwiększa się powierzchnia wymiany gazowej. Wymiana gazowa u płazów jest bardzo skomplikowana w związku z brakiem żeber, czyli klatki piersiowej, czy przepony, narządów ułatwiających oddychanie ssakom. Jako pompa ssąco- tłocząca występuje tu dno jamy gębowo- gardzielowej, które wspomagane jest przez zastawki i mięśnie obecne w gardzieli i nozdrzach. Płazy zatem łykają powietrze, którym oddychają. W związku ze słabą wydolnością płuc spowodowaną małą powierzchnią czynną płazy przeprowadzają proces wymiany gazowej także poprzez błonę śluzową w jamie gębowo- gardzielowej oraz skórę. Dzięki tej dyfuzji około trzy czwarte tlenu jest uzyskiwane. Kręgowce lądowe takie jak gady oddychają wyłącznie płucami, których budowa jest prosta. Mają one budowę gąbczastą i są podzielone na komory. Ich powierzchnia wewnętrzna poprzez sfałdowanie zwiększając obszar wymiany gazowej. W przypadku gadów wymiana gazowa nie jest wyjątkowo efektywna, w związku z tym są to zwierzęta, które nie są w stanie wytrzymać długich okresów aktywności wzmożonej. Obecność klatki piersiowej i mięśni międzyżebrowych umożliwiła gadom zasysanie i wyciskanie powietrza w płucach. Jest to cecha aromorfotyczna. Dzięki temu możliwa stała się wymiana gazowa wyłącznie poprzez płuca u gadów- zwierząt znacznie większych i o szybszym metabolizmie. Ograniczyło to także oddychanie przez skórę przez co zaczęła ona pełnić w przypadku gadów funkcje izolatora przed otoczeniem. Naskórek chroni gady przed utratą wilgotności poprzez jego cechy, czyli nieprzepuszczalność dla wody i rogowatość.

W związku z wielką aktywnością ptaków i ich szybkim metabolizmem potrzebują one dużą ilość tlenu, posiadają zatem tak rozbudowany układ oddechowy aby umożliwić wydajność w oddychaniu. Charakterystycznym elementem układu oddechowego ptaków są worki powietrzne odchodzące od rurkowatych, małych płuc i sięgające nawet do pneumatycznych kości, są one pomocne w czasie lotu, gdy zwiększa się zapotrzebowanie ptaka na tlen. W czasie spoczynku oddychanie odbywa się dzięki ruchom żeber i mostka, powietrze przepływa w jednym kierunku i uzupełniane jest przy każdorazowym wdechu. W momencie lotu mięśnie skrzydeł uniemożliwiają ruchy mostka, do którego są przymocowane. Wtedy powietrze jest wtłaczane i usuwane z worków powietrznych dzięki ruchom mięśni skrzydeł. Działają one wtedy na zasadzie miechów, które wciągają i wyrzucają powietrze z płuc. W zależności od prędkości i częstości ruchu skrzydeł worki wtłaczają więcej, lub mniej powietrza do płuc. Układ oddechowy ptaków jest najsprawniejszym w świecie zwierząt.

U ssaków mamy do czynienia z dużymi płucami w kształcie worków, zbudowanymi z licznych małych pęcherzyków oraz z sieci oskrzelików i oskrzeli. Umiejscowione są w klatce piersiowej ssaka. W pęcherzykach płucnych odbywa się wymiana gazowa. W związku z tym, że płuca u ssaków mają ogromną powierzchnię czynną wymiana gazowa odbywa się przede wszystkim przy ich udziale. Należy wiedzieć, że stosunek powierzchni czynnej w płucach ssaków do powierzchni skóry w przeciwieństwie do płazów jest kilkaset razy większy, z kolei udział w oddychaniu skóry tyle samo mniejszy. Przy oddychaniu pomocne są ruchy klatki piersiowej i mięśni międzyżebrowych a także ruchy przepony. W momencie wdechu zwiększa się pojemność klatki piersiowej dzięki ruchom klatki piersiowej, skurczom mięśni i przepony. Przepona to cienki mięsień, wysklepiony w kierunku płuc, zamyka on od dołu klatkę piersiową a także oddziela ją od jamy brzusznej. Przy wdechu przepona w momencie skurczu wypycha narządy jamy brzusznej w dół, natomiast przy wydechu rozluźnia się wracając do wcześniejszej pozycji zmniejszając objętość płuc. W porównaniu do ptaków układ oddechowy ssaków nie jest tak wydajny, co wiąże się z mniejszym zapotrzebowaniem energetycznym.

Biorąc pod uwagę tempo wymiany gazowej środowisko wodne czy wilgotne jest korzystniejsze od lądowego, w związku z rozpuszczeniem tlenu w wodzie, co ulepsza dalszy transport między błonami cytoplazmatycznymi. Jednakże woda ma większą lepkość i gęstość od powietrza co wiąże się ze zwiększonym oporem przepływowym jaki stawia, co z kolei sprawia, że duże zwierze żyjące w wodzie musi zużyć więcej energii na to by woda przepłynęła wokół oddechowych powierzchni. W powietrzu wymiana gazowa jest korzystniejsza także z innych względów. W powietrzu znajduje się o wiele więcej tlenu niż w wodzie, dyfuzja tlenu odbywająca się w powietrzu jest dużo szybsza i sprawniejsza niż w wodzie. Ssaki żyjące w wodzie, jak wieloryb, czy morświn oddychają tlenem znajdującym się w powietrzu, gdyż ich zapotrzebowanie jest tak ogromne, że nie wystarczyłby tlen rozpuszczony w wodzie. Należy wiedzieć, że w tej samej objętości wody co powietrza znajduje się dużo mniej tlenu, zaledwie kilka procent ilości, znajdującej się w powietrzu. Ssaki są organizmami stałocieplnymi, więc muszą utrzymać stałą, wyższą od wody temperaturę ciała, co stanowi kolejny problem towarzyszący oddychaniu w wodzie.

Zwierzęta żyjące na lądzie i oddychające powietrzem są bardziej narażone na utratę wody. Muszą zatem istnieć mechanizmy, które zapobiegają wysychaniu tkanek, jak również aby mogła zajść dyfuzja gazów drogi oddechowe muszą być wciąż zwilżane. W związku z tym narządy oddechowe u zwierząt lądowych są ukryte pod powierzchnią ciała głęboko, w przeciwieństwie do wodnych u których skrzela są odsłonięte.

Bibliografia:

- Eugeniusz Grabda "ZOOLOGIA bezkręgowce. tom II część pierwsza" PWN 1985

- Stanisław Chudoba "ZOOLOGIA. zeszyt 1" PWN 1985

- Villee "Biologia" Multico Oficyna Wydawnicza 1998

- Waldemar Lewinski "Biologia. Podręcznik dla klasy II liceum ogólnokształcącego o profilu podstawowym i biologiczno-chemicznym" Wydawnictwo "OPERON" 1997