39. Органы дыхания и газообмен

Определения и обозначения

Дыхание — процесс, при котором организм получает кислород и использует его для жизнедеятельности, выделяя углекислый газ. Иными словами, кислород нужен не сам по себе: клетки используют его, чтобы высвобождать энергию из питательных веществ. Без этого процесса организм не смог бы поддерживать работу своих клеток.

Газообмен — поступление кислорода в организм и удаление углекислого газа между организмом и окружающей средой. Это обмен газами через поверхность тела или специальный орган дыхания. Он необходим, чтобы клетки получали кислород, а образующийся в них углекислый газ не накапливался.

Жабры — органы дыхания водных животных, обеспечивающие газообмен с растворённым в воде кислородом. Вода проходит мимо жабр и омывает их поверхность. Благодаря этому кислород может попасть внутрь организма, а углекислый газ — выйти наружу.

Трахеи — разветвлённые трубочки насекомых, по которым воздух поступает непосредственно к тканям. Они образуют сеть внутри тела и подводят воздух близко к клеткам. Такая система нужна насекомым для доставки газов без участия крови.

Как это устроено

Клеткам нужен кислород, потому что с его участием из питательных веществ высвобождается энергия. Она расходуется на движение, рост и другие процессы жизнедеятельности. При этом образуется углекислый газ, который должен покинуть организм: его накопление мешало бы нормальной работе клеток. Поэтому дыхание связано и с поступлением кислорода, и с удалением углекислого газа.

Газообмен происходит через тонкие влажные поверхности. Тонкий слой сокращает путь, который газам нужно пройти, а влажность помогает им растворяться и перемещаться через поверхность. Кислород движется из среды в организм, а углекислый газ — из организма наружу. Чем больше подходящей поверхности, тем больше газа может обменяться за одно и то же время.

У водных животных жабры омываются водой, в которой содержится растворённый кислород. Большая площадь жабр позволяет соприкасаться с водой на обширной поверхности, а её постоянное движение приносит новые порции кислорода. Он проходит через тонкую поверхность жабр в организм. Углекислый газ, напротив, выходит из организма в воду.

У насекомых воздух поступает через отверстия на теле и движется по разветвлённой трахейной системе. Её трубочки доходят до тканей, поэтому кислород может попасть к клеткам напрямую. У рыб и многих других позвоночных путь устроен иначе: после газообмена в органах дыхания кислород переносится к тканям кровью. Кровь связывает работу дыхательной и кровеносной систем.

Органы дыхания соответствуют среде обитания и образу жизни животного. У наземных позвоночных развились лёгкие, в которых происходит газообмен с воздухом. Некоторым животным помогает и поверхность тела: например, дождевой червь получает кислород через кожу, а у ряда животных кожный газообмен дополняет работу других органов. Поэтому одно и то же решение не подходит всем животным.

Органы дыхания животных и особенности газообмена

Сравнивайте строки по трём признакам: среда, орган дыхания и путь кислорода. Так видно, что органы устроены по-разному, но каждый обеспечивает поступление кислорода. Таблица также показывает, где для доставки газов к тканям нужна кровь, а где воздух подходит к ним напрямую.

Разбор задач

Задача 1. Объясните, почему поверхность тела дождевого червя должна оставаться влажной. Нужно связать состояние кожи с тем, как кислород попадает внутрь червя. Проверим, какую роль играет поверхность тела в газообмене. Затем объясним, что произойдёт, если она высохнет.

1. У дождевого червя газы проходят через поверхность тела, а не через жабры или лёгкие.
2. Кислород и углекислый газ должны пройти через влажную поверхность, поэтому коже необходимо сохранять влагу.
3. Если поверхность высохнет, газам будет сложнее проходить через неё и газообмен нарушится.

Ответ: влажная кожа нужна дождевому червю, чтобы кислород мог поступать в организм, а углекислый газ — выходить наружу.

Задача 2. Сравните, как получают кислород рыба и насекомое, и укажите органы, участвующие в газообмене. Здесь важно проследить путь кислорода от среды к животному. Сначала определим среду для каждой группы, затем назовём органы и способ доставки газа. Так сравнение покажет не только различие органов, но и различие всего пути.

1. Рыба получает кислород из воды: он растворён в ней, а жабры омываются водой.
2. Кислород проходит через жабры внутрь организма; затем у рыб кровь переносит газы к тканям.
3. Насекомое получает кислород из воздуха, который движется по трахеям прямо к тканям.

Ответ: рыба поглощает растворённый кислород жабрами, а насекомое получает воздух по трахеям непосредственно к тканям.

Задача 3. У животного удалили жабры, но оставили неповреждённой кровеносную систему. Почему оно всё равно не сможет нормально получать кислород из воды? Необходимо различить обмен газами и их перенос внутри тела. Кровь может доставлять кислород к тканям, но сначала кислород должен попасть в организм. Проверим, что в этой ситуации нарушено первым.

1. Жабры обеспечивают переход растворённого в воде кислорода внутрь организма.
2. После такого перехода кровеносная система могла бы переносить кислород дальше, если бы он поступил в кровь.
3. Без жабр нормальный газообмен с водой нарушен, поэтому неповреждённой кровеносной системе нечего доставлять к тканям.

Ответ: животное не сможет нормально получать кислород, потому что кровь переносит газы, но не заменяет орган, через который кислород поступает из воды.

Типичные ошибки

Ошибка 1 — считать дыханием только вдох и выдох. Так думают, потому что у людей дыхание заметно по движениям грудной клетки. Но смысл дыхания шире: кислород поступает в организм и используется клетками, а углекислый газ удаляется. Проверь себя: можешь ли ты назвать, что происходит с кислородом после его поступления?

Ошибка 2 — путать газообмен с переносом газов кровью. Их смешивают, потому что оба процесса связаны с кислородом и углекислым газом. Однако газообмен происходит через дыхательную поверхность, а кровь у многих животных переносит газы дальше, к тканям или органам дыхания. Проверь себя: ответь отдельно, где газ проходит через поверхность и чем он движется внутри тела.

Ошибка 3 — думать, что все животные дышат лёгкими. Это впечатление может возникнуть из опыта наблюдения за человеком и другими наземными позвоночными. На самом деле у животных есть жабры, трахеи и газообмен через поверхность тела. Проверь себя: для каждой группы назови её среду обитания и подходящий орган дыхания.

Ошибка 4 — считать, что рыбы используют кислород, связанный в составе воды. Вода содержит растворённый кислород, но рыба не извлекает его из молекулы воды. Кислород проходит через жабры именно из растворённого состояния. Проверь себя: сформулируй путь так — «из воды через жабры», а не «из состава воды».

Связь с другими темами

Для понимания дыхания нужно знать, что животные живут в водной или воздушной среде, а клеткам необходимы вещества для жизнедеятельности. С газообменом связана кровеносная система: у многих животных кровь переносит кислород от органов дыхания к тканям. Эти знания помогут изучать обмен веществ и объяснять, как строение животных приспособлено к среде обитания.

Что запомнить

• Газообмен обеспечивает поступление кислорода и удаление углекислого газа.
• Для газообмена подходят тонкие и влажные поверхности с большой площадью.
• Рыбы поглощают растворённый в воде кислород жабрами.
• У насекомых воздух движется по трахеям непосредственно к тканям.
• У многих позвоночных перенос газов между органами дыхания и клетками обеспечивает кровь.
• Строение органов дыхания связано со средой обитания и образом жизни животного.