эволюция дыхательной системы.
мелкие растения и животные, обитающие в воде, получают кислород и выделяют углекислоту путем диффузии. при дыхании, происходящем в митохондриях, концентрация кислорода в цитоплазме снижается, поэтому кислород диффундирует в клетку из окружающей воды, где его концентрация выше, поскольку она поддерживается диффузией кислорода из воздуха и выделением его фотосинтезирующими организмами, обитающими в воде. углекислота, образующаяся в результате обменных процессов, диффундирует по градиенту концентрации в окружающую среду. у простых растительных и животных организмов отношение поверхности тела к его объему достаточно велико, поэтому скорость диффузии газов через поверхность тела не является фактором, лимитирующим интенсивность дыхания или фотосинтеза. у более крупных животных отношение поверхности тела к объему меньше, и глубоко расположенные клетки уже не могут достаточно быстро обмениваться с окружающей средой газами путем диффузии. поэтому глубоко лежащие клетки получают кислород и выделяют углекислый газ через внеклеточную жидкость, которая обменивается ими с окружающей средой.
высшие растения не имеют специальных органов газообмена. каждая клетка растения (корня, стебля, листа) самостоятельно обменивается с окружающим воздухом углекислым газом и кислородом путем диффузии. интенсивность клеточного дыхания у растений обычно значительно ниже, чем у животных. кислород легко диффундирует из воздуха в промежутки между мелкими частицами почвы, в окружающую их пленку воды и в корневые волоски, далее в клетки коры и, наконец, в клетки центрального цилиндра. образующаяся в клетках углекислота также диффундирует в обратном направлении и выходит из корня наружу через корневые волоски. кроме того, газы легко диффундируют через чечевички на корнях и стволах старых деревьев и кустарников. в листьях газообмен осуществляется через устьица по градиенту концентрации. листья наземных растений сталкиваются с той же проблемой, что и клетки дыхательных поверхностей наземных животных: они должны обеспечивать достаточный газообмен, не теряя при этом слишком много воды. растения этого достигают тем, что их листья (например у растений засушливых мест обитания), более толстые и мясистые, имеют толстую кутикулу с устьицами, расположенными в углублениях (толстая кутикула с погруженными устьицами имеется и у хвойных).
внешнее дыхание у большинства водных животных осуществляется при специализированных структур, называемых жабрами. специализированные жабры впервые появились у кольчатых червей. у губок и кишечнополостных газообмен осуществляется путем диффузии через поверхность тела. дождевые черви, находясь в подземных ходах, получают достаточное количество кислорода, путем его диффузии через влажную кожу. морские черви, обитающие в песке или трубочках из песка, совершают волнообразные движения, чтобы создавать вокруг себя ток воды, иначе им не хватает растворенного в морской воде кислорода (в литре морской воды содержится около 5 мл кислорода, пресной - около 7 мл, воздуха - около 210 мл). поэтому у морских червей (полихет) развивились жабры - специализированные органы дыхания (выросты покровного эпителия). у ракообразных также появились жабры, обеспечивающие процесс дыхания в водной среде. зеленый краб, способный жить в воде и на суше, имеет жабры, расположенные в полости тела на границе карапакса и места прикрепления ног. в этом месте движется скафогнатит (веслообразная часть второй максиллы), обеспечивающий непрерывный ток воды к жабрам. если скафогнатит не будет гнать воду, то краб быстро погибнет в морской воде, тогда как в воздушной среде он может жить неопределенно долго, поскольку скорость диффузии кислорода из воздуха достаточна для удовлетворения всех потребностей его организма.
жабры имеются также у моллюсков, рыб и некоторых амфибий. газы диффундируют через тонкий жаберный эпителий в кровь и разносятся по всему организму. каждое животное, дышащее при жабр, имеет какое-либо приспособление, обеспечивающее непрерывное омывание их током воды (открывание рта рыбами, движение жаберных крышек, постоянное движение всего тела и у двустворчатых моллюсков движение воды обеспечивается работой жаберных тычинок. членистоногие решают проблему снабжения кислородом клеток организма иным путем: в каждом сегменте тела у них имеется пара дыхалец - отверстий, ведущих в разветвленную систему трубочек - трахей, по которым воздух доставляется ко всем внутренним органам. трахеи заканчиваются микроскопическими разветвлениями - трахеолами, наполненными жидкостью, через их стенки кислород диффундирует в соседние клетки, а углекислый газ - в обратном направлении. работа мышц брюшка обеспечивает продувку трахей воздухом. трахейная система насекомых и паукообразных обеспечивает поступление кислорода и выделение углекислого газа, поэтому они обходятся без быстрого течения крови, необходимого позвоночным для снабжения их клеток кислородом.
Популярные вопросы