Газообмен в воздушной среде
Обитатели воздушной среды не лимитированы количеством кислорода в составе воздуха: кислород составляет в нем 20,95 %. Соответственно велико и его парциальное давление.
Фактором, лимитирующим газообмен в воздушной среде, является сухость воздуха.
Процесс непосредственного обмена газов между кровью и внешней средой у наземных животных в принципе не отличается от водного типа: в кровь поступает кислород, предварительно растворенный в пленке воды, которая покрывает поверхность дыхательного эпителия. Как и водных организмов, диффузия идет по градиенту концентрации О2 и СО2 в крови и этой водной пленке. Поэтому важнейшее биологическое условие осуществления устойчивого газообмена в воздушной среде заключается в поддержании дыхательной поверхности во влажном состоянии.
Принципы воздушного дыхания
1. Морфологические принципы газообмена в воздушной среде основываются на том, что поверхность газообмена размещается внутри тела и не граничит непосредственно с окружающим воздухом. Высокую влажность в дыхательной полости поддерживает большое число слизистых клеток, а в дыхательных путях – слизистый эпителий, который способствует увлажнению воздуха, поступающего в органы дыхания.
У позвоночных эта система представлена в виде легких, расположенных в грудной полости и соединенных с наружной средой воздухоносными путями – трахеей и бронхами (рис.7). Внутренняя поверхность этих путей выстлана слизистым эпителием.
Рис. 7. Бронхиальное дерево бурого медведя:
1 – трахея, 2 – ее мембранная часть, 3 – главные бронхи, 4 – ветвление бронхов.
У птиц с легкими связаны воздушные мешки – прозрачные эластичные тонкостенные выросты слизистой оболочки вторичных бронхов (рис.8).
Рис. 8. Схема воздушных мешков птиц; вид с брюшной стороны:
1 – трахея, 2 – легкое, 3 – шейный мешок, 4 – межключичный мешок, 5, 6, 7, 8 – выросты межключичного мешка, 9 – переднегрудной мешок, 10 – заднегрудной мешок, 11 – брюшной воздушный мешок.
Объем воздушных мешков примерно в 10 раз превышает объем легких. При вдохе воздух из легких насасывается в передние воздушные мешки, а воздух из внешней среды по трахее, бронхам и их разветвлениям идет в легкие и задние воздушные мешки – заднегрудные и брюшные. При выдохе содержащий много кислорода воздух из задних воздушных мешков нагнетается в легкие, а воздух из передних мешков, содержащих уже мало кислорода, но много углекислого газа, проталкивается в трахею и выводится наружу. Таким образом, насыщенный кислородом воздух практически непрерывно, при вдохе и выдохе, проходит через легкие, обогащая кровь кислородом.
У беспозвоночных структуры органов воздушного дыхания очень разнообразны, но во всех случаях выдерживается принцип удаления газообенной поверхности от соприкосновения с воздушной средой и увлажнения воздуха, поступающего к месту газообмена.
2. Физиологические принципы газообмена у большинства наземных животных связаны с чередующимися фазами вдоха и выдоха. Такой тип дыхания, вероятно, также связан с задачей сохранения влажности в дыхательной системе: однонаправленный поток сухого воздуха неминуемо приводил бы к подсыханию дыхательного эпителия и нарушению газообмена.
Принципиальные пути интенсификации газообмена, а, следовательно, и общего уровня метаболизма связаны с увеличением дыхательной поверхности и активизацией вентиляции легких.