Знаете ли, че при някои видове кислородът се абсорбира директно в тъканите?
Знам, че звучи малко пресилено, тъй като повечето хора вероятно имат предвид модела, при който кислородът навлиза през носа, достига до белите дробове, където в алвеолите се осъществява газообмен с кръвта; при някои видове обаче, като насекомите, процесът е напълно различен, тъй като не включва действието на кръвоносната система и се нарича трахеално дишане.
Видовете, които развиват този тип дишане са оборудвани с трахеиТези структури се вплитат в тялото, образувайки система от тръбички със стени, подсилени с хитинови пръстени. Трахеите позволяват на въздуха да навлиза в дихателната система и го разпределят много ефективно в целия организъм.
Паякообразните и членестоногите са някои от примерите за животни, които развиват дишане от трахеален тип.
Определение за дишане на трахея
Това е вид дишане, което може да се определи като директентъй като въздухът се доставя до клетките, без да е необходима кръв като транспортна течност, както е при дишането при хората.
Дихателната система на насекомите провежда кислород директно до клетките, където отпадъчният продукт (въглероден диоксид) се отстранява и транспортира навън. Състои се от мрежа от тръбички, които са отговорни за въвеждането на дихателни газове в тялото и осъществяването на газообмен на клетъчно ниво. Въздухът навлиза през серия от външни отвори, наречени спирали или стигмати които водят до мрежа от тръбички, наречени трахеи. Тези трахеи се разклоняват многократно, докато достигнат трахеолите.
За разлика от гръбначните, при животните с трахеално дишане кръвоносната система и хемолимфата Те не участват в транспорта на кислород. Хемолимфата не съхранява този газ, така че целият процес на усвояване и елиминиране на газа се осъществява в самата трахеална и трахеоларна система.
Кои животни имат трахеално дишане?
Трахеалното дишане е характерно за голяма група сухоземни безгръбначни. Основните групи включват:
- насекомиТе са най-многобройната група на планетата и най-типичните представители на този тип дишане. Мухи, мравки, бръмбари, пеперуди, щурци и пчели зависят от тази система, за да си набавят кислород.
- многоножкикато стоножки и многоножки. Тяхната трахеална система е много подобна на тази на насекомите и в много случаи е свързана с въздушни торбички, които насърчават вентилацията.
- ПаякообразниНякои групи, като например няколко паяка и някои скорпиони, притежават трахеална система, която може да съществува едновременно с други дихателни структури, особено тези, наречени бели дробове в книгата или ламинарни бели дробове.
- ОнихофориТези сухоземни безгръбначни, понякога известни като кадифени червеи, са развили трахеална система, аналогична на тази на членестоногите. Трахеите им се отварят навън чрез малки спирали, чийто диаметър те не могат да регулират.
При всички тези животни основният принцип е един и същ: набор от силно разклонени тръби които директно свързват външните с вътрешните тъкани, за да доставят кислород и да отстраняват въглероден диоксид.
Как възниква дишането на трахеята?
Често срещан при насекомите и други сухоземни членестоноги, този тип дишане се случва, защото тези организми имат поредица от тръбички, наречени трахеи, които се отварят навън през отвори, наречени спиракули или спиракли. Това са най-важните структури в процеса.
Трахеите, подобни на система от тръби, се разклоняват по цялото тяло, което установява директни връзки които позволяват обмена на газове: кислород (O2) и въглероден диоксид (CO2), се извършва директно във всички клетки.
При много насекоми въздухът се вкарва през предните спирали, надувавайки коремчето; след като спиралите се затворят, коремчето се свива и освободеният въглероден диоксид излиза през задните спирали. коремни движения и други общи движения на тялото съставляват това, което се нарича трахеална вентилация.
При малките насекоми преобладаващата характеристика обикновено е... пасивна дифузияВъздухът влиза и излиза чрез прости разлики в концентрацията между вътрешната и външната част на трахеалната система, без да е необходимо значително мускулно движение. Въпреки това, при по-големите или силно активни насекоми, като много летящи насекоми, дишането изисква... активна вентилация, базирано на ритмичното свиване на мускулите на гръдния кош и корема, както и на действието на въздушните торбички.
Обмен на газ При трахеалното дишане дишането се осъществява следвайки механизма на физически процес, наречен радиопредаване, при което, в резултат на концентрационен градиент между входящия въздушен поток и концентрацията на елемента в клетките, се насърчава отделянето на нежелан за организма газ (CO2) и усвояването на жизненоважния кислород. Тъй като имаме по-висока концентрация на кислород във въздуха, този газ преминава от трахеята в клетките през порите на клетъчните мембрани, докато концентрациите от двете страни се изравнят и в точката на равновесие процесът спира.
Същото се случва и с въглеродния диоксид, макар и в обратен ред, тъй като клетките го генерират като страничен продукт в енергийните си реакции. По този начин концентрацията на този газ вътре в клетките е много по-висока, отколкото във въздуха, така че той преминава в трахеята, за да изравни концентрацията си, и след това се изхвърля навън.
Вентилация и движение на въздуха в трахеалната система
Процесът, чрез който въздухът в трахеалната система се обновява, се нарича вентилацияЗа разлика от белите дробове на гръбначните животни, които се пълнят и изпразват с въздух чрез действието на диафрагмата и други дихателни мускули, трахеалната вентилация се постига предимно чрез самите въздушни клетки. движения на тялото на животното.
Има много летящи насекоми въздушни торбичкиТова са части от трахеалната система, на които липсва вътрешно подсилване. Тези торбички се разширяват и свиват, действайки почти като малки вътрешни мехове, което помага на въздуха да циркулира по-ефективно през трахеите по време на полет или други напрегнати дейности.
При малките насекоми пасивната дифузия и вибрациите на тялото може да са достатъчни за обновяване на въздуха. За разлика от това, големите насекоми или тези, подложени на топлинен стрес, се нуждаят от... координирана активна вентилацияотваряне на определени спиракули и затваряне на други, докато се редуват мускулни контракции, като по този начин се генерират пулсации, които изтласкват въздуха през надлъжните трахеи.
Включени структури
Транспортът на въздух, взет от околната среда, се извършва успешно в организми, които извършват трахеално дишане, благодарение на съвместното действие на редица структури, сред които си струва да се спомене:
- Трахеи: Това са инвагинации на обвивката, които имат покритие или кутикула, която се подменя по време на линеенето. Размерът на тази структура обикновено е по-малък от 0,8 милиметра в диаметър при основните си разклонения. Трахеите се разклоняват вътре в насекомото и стават все по-тънки, прониквайки във всички тъкани. По този начин те достигат до близостта на всички клетки на насекомото, подобно на начина, по който кръвоносните капиляри го правят в човешкото тяло.
- Всяка трахеална тръба се развива от инвагинация на ектодермата по време на ембрионалния стадий. Те са подсилени от тел-подобна кутикула, наречена тенидиякойто се навива през мембранната стена на трахеята. Тази конструкция, подобна на тази на подсилен маркуч, осигурява еластичност и устойчивостпредотвратявайки срутването на стените при промени в налягането. Тези структури и подсилващи пръстени са изработени от кутикуларен материал (главно хитин), което осигурява тяхната здравина.
- Стигмати или спиракули: Отворът между трахеята и повърхността на тялото се нарича спирала или стигма и те са разположени в областите, известни като мезоторакс, метаторакс и корем. Затварянето на спиралите обикновено се регулира от мускулни клапаниВажна характеристика на дихателните пори е, че те обикновено са защитени при повечето насекоми от малки власинки, чиято функция е аналогична на тази на филтър, който предотвратява навлизането на прахови частици и микроорганизми, а също така помага за намаляване на загубата на вода.
- Спиракулите могат да се отварят и затварят в отговор на сигнали от централна нервна система както и на локални химични стимули (като промени в концентрацията на кислород или въглероден диоксид), което позволява фино контролиране на газообмена и запазване на водата.
- Трахеоли: Това са изключително фини разклонения, които проникват дори в мускулни клетки и други силно активни тъкани. Важно е да се подчертае, че стените им са много тънки, което Това значително улеснява газообмена. и вода. Трахеолите са частично покрити с течност, известна като хемолимфаТова е същата течност, която облива тъканите. Кислородът от въздуха се разтваря в тази водна среда и дифундира оттам в клетъчната цитоплазма.
- Въздушни възглавници: Това са области от трахеалната система, в които липсват тении. Благодарение на това те могат разширяване и свиванеобразувайки истински въздушни камери, които действат като временни резервоари. В суха среда те позволяват на насекомото да пести вода, като затваря спиралите, докато консумира кислорода в тези торбички. При водните насекоми те могат да съхраняват въздух, който се използва, докато животното остава потопено.
Адаптации на трахеалното дишане при водни насекоми
Класическата трахеална система, основана на директното навлизане на атмосферен въздух през дихателните пътища, не функционира само под вода. Поради това много водни насекоми са се развили специални дихателни адаптации което им позволява да продължат да използват трахеи и трахеоли, дори докато живеят изцяло или частично потопени.
- Кутикуларно дишане: Някои малки водни насекоми получават част или целия си кислород чрез... тънка кутикулакоято е пропусклива за газове. Кислородът, разтворен във водата, дифундира през кутикулата във вътрешните трахеи.
- Трахеални хриле: Други водни насекоми са развили автентични хрилеТова са фини, силно кръвоснабдени структури, образувани от изпразване на обвивката, съдържаща трахеи. Кислородът от водата преминава в тези трахеални тръбички. Такъв е случаят с ларвите на вие еднодневки или водни кончета, които в зряла възраст се превръщат в сухоземни организми с типична трахеална система.
- Дихателни тръби: Някои ларви, като например тези на много комари, притежават сифонни тръби които се простират до повърхността на водата, за да улавят кислород от въздуха. Нещо подобно се случва и при ларвите на някои мухи от рода Еристалис, известни като „ларви с опашка от плъх“ заради дължината на дихателния им сифон.
- Въздушни мехурчета: Някои полуводни насекоми хващат Въздушен мехур при потапяне след достигане на повърхността. Този мехур, задържан на място от косми или хидрофобни структури, действа като временен кислороден резерв и трябва периодично да се подновява.
- Дихателен пластрон: В някои случаи, пластронТоест, постоянен слой въздух, прилепнал към тялото чрез гъста мрежа от хидрофобни влакна. Този въздушен филм остава стабилен и функционира като вид физически хриле, от които разтвореният във водата кислород непрекъснато дифундира в трахеалната система.
- Хемоглобин във водни ларви: Въпреки че повечето насекоми притежават хемолимфа без дихателни пигменти, някои водни ларви, като например тези на мухите от семейство Chironomidae, те съдържат хемоглобинТози пигмент им позволява да съхраняват кислород и да оцелеят във води, бедни на този газ.
Връзка между трахеалната система и размера на тялото
Трахеалната система предлага ясни предимства по отношение на ефективността за малки организми, но също така и определени физиологични ограниченияДифузията на газ през трахеолите е много бърза на къси разстояния, но се забавя с увеличаване на размера на тялото.
Следователно се счита, че скорост на дифузия Дизайнът на трахеалната система, заедно с теглото на екзоскелета, исторически е ограничавал максималния размер на насекомите. Въпреки това, вкаменелостите показват, че големи насекоми и паякообразни са съществували в определени етапи от историята на Земята. Това се обяснява с факта, че концентрация на атмосферен кислород Той беше много по-голям, което благоприятстваше разпространението на този газ през трахеите и позволяваше образуването на по-големи тела.
Значение на дишането
Дишането може да се определи като най-важния акт за развитието на жизнените функции и това се подкрепя от неоспоримия факт, че всички процеси са свързани с реакции на окисление и редукция. Дори в рамките на организмите, развитието на тези реакции изисква кислород. Клетъчното делене и регенерация се осъществяват благодарение на наличието на този елемент. Неговото значение в метаболитните процеси и в... освобождаване на токсини.
Запасите му са толкова важни, че видовете не могат да оцелеят без него. При животните с трахеално дишане това се изразява в необходимостта от поддържане на система от трахеи, трахеоли и спиракули в добро състояние, като дихателната им активност се адаптира към условията на околната среда, нивата на влажност, температурата и собственото ниво на активност на организма.
Разбирането как протича трахеалното дишане ни позволява да оценим огромното адаптивност на насекоми и други членестоноги, способни да колонизират почти всички сухоземни и водни екосистеми чрез прецизни модификации на същия основен принцип: пренасяне на въздух директно до всяка клетка чрез фино организирана мрежа от тръби.