گفتار 3
تنوع تبادلات گازی
انواع روش‌های تنفس در جانوران
در دنیای جانوران، روش‌های تبادل گاز با محیط بیرون بسیار متنوع است.
در جانداران ساده‌تر، مانند تک‌یاخته‌ای‌ها و جانورانی مثل هیدر، همه یاخته‌های بدن به‌طور مستقیم با محیط تبادل گاز انجام می‌دهند. در این جانداران، تبادل گازهای تنفسی مانند اکسیژن و کربن دی‌اکسید از طریق انتشار ساده انجام می‌شود.
برای نمونه، در تک‌یاخته‌ای مثل پارامسی، گازها مستقیماً از غشا عبور می‌کنند و تبادل انجام می‌شود.
اما در جانوران پیچیده‌تر، ساختارهای اختصاصی برای تنفس، تکامل یافته‌اند تا ارتباط مؤثر یاخته‌های بدن با محیط پیرامون برقرار شود. این ساختارها در چهار گروه اصلی قرار می‌گیرند:
تنفس نایدیسی
تنفس پوستی
تنفس آبششی
تنفس ششی
شکل 17 - تنفس از طریق انتشار در تک‌یاخته‌ای‌ها (پارامسی)
تنفس نایدیسی
در حشرات مانند ملخ، شته و پروانه مونارک، تبادل گازها از طریق ساختاری به نام نایدیس انجام می‌شود. نایدیس‌ها لوله‌هایی منشعب و به هم مرتبط هستند که از طریق منافذ تنفسی با محیط بیرون ارتباط دارند.
منافذ تنفسی در ابتدای نایدیس قرار دارند. این لوله‌ها به شاخه‌های کوچکتری تقسیم می‌شوند انشعابات پایانی که در کنار همه یاخته‌های بدن قرار می‌گیرند بن‌بست بوده و دارای مایعی است که تبادلات گازی را ممکن می‌کند.
نکته مهم در این نوع تنفس این است که:
اکسیژن بدون نیاز به سامانهٔ گردش مواد، مستقیماً به یاخته‌ها می‌رسد.
برخلاف تصور رایج، در حشرات قلب و جریان همولنف نقشی در جابجایی گازهای تنفسی ندارند.
شکل 18 - تنفس نایدیسی
تنفس پوستی
برخی جانوران، مانند کرم خاکی و دوزیستانی مانند قورباغه، بخشی یا تمام تبادل گازهای خود را از طریق پوست انجام می‌دهند.
در این نوع تنفس، شبکه مویرگی گسترده‌ای با مویرگ‌های فراوان که در زیر پوست وجود دارند، وظیفه تبادل گازها را بر عهده دارند.
برای مؤثر بودن این فرایند، یک شرط ضروری وجود دارد: پوست باید مرطوب باشد تا گازهای تنفسی در رطوبت حل شده و از طریق آن عبور کنند.
دوزیستان، علاوه بر تنفس پوستی، تنفس ششی نیز دارند.
شکل 19 - تنفس پوستی
مقایسهٔ تنفس پوستی در کرم خاکی و قورباغه
ویژگی | کرم خاکی | قورباغه |
نوع جانور | بی‌مهره | مهره‌دار (دوزیست) |
میزان تبادل گاز از طریق پوست | تمام یا بخش عمده | بخشی از تبادل گاز |
فرایندهای تنفسی دیگر | ندارد. | تنفس ششی |
شرط اساسی | رطوبت پوست | رطوبت پوست |
ساختار تبادل | شبکه‌های مویرگی زیر پوست | شبکه‌های مویرگی زیر پوست |
تنفس آبششی
آبشش در جانوران
در جانوران آبزی، مانند ماهیان و نوزاد دوزیستان، تبادل گازها از طریق آبشش‌ها انجام می‌شود.
ساده‌ترین آبشش‌ها در ستاره دریایی دیده می‌شود. این آبشش‌ها به شکل برجستگی‌های پراکنده پوستی دیده می‌شوند.
در سخت‌پوستان، ماهی‌ها و نوزاد دوزیستان این ساختارها به نواحی خاصی از بدن محدود شده‌اند.
در دوزیستان، آبشش‌ها تنها در دوران نوزادی فعال‌اند و بعدها جای خود را به شش‌ها و تنفس پوستی می‌دهند.
شکل 20 - ساده‌ترین آبشش در ستاره دریایی
تفاوت آبشش در جانوران مختلف
جانور | ویژگی آبشش‌ها | محل استقرار/بازه فعالیت | ساز و کار جایگزین (در صورت وجود) |
ستاره دریایی | به شکل برجستگی‌های پراکنده پوستی | سرتاسر بدن | - |
سخت‌پوستان، ماهی‌ها و نوزاد دوزیستان | ساختار محدود به نواحی خاصی از بدن | نواحی خاصی از بدن | - |
دوزیستان | فعال تنها در دوران نوزادی | دوران نوزادی | شش‌ها و تنفس پوستی (در دوران بلوغ) |
عملکرد آبشش‌ها
کارایی بالای تبادل گاز در آبشش‌ها به دلیل وجود جریان مخالف آب و خون در مویرگ‌های تیغه‌های آبششی است. این جریان مخالف، شیب غلظت گازها را افزایش داده و تبادل را کارآمدتر می‌کند.
شکل 21 - تنفس آبششی در ماهی، به تفاوت جهت حرکت آب و خون دقت کنید.
تنفس ششی
شش در جانوران
در جانوران خشکی‌زی، برخی بی‌مهرگان مانند حلزون‌ها و مهره‌داران، از شش برای تنفس استفاده می‌کنند.
در مهره‌داران شش‌دار (دوزیستان بالغ، خزندگان، پرندگان و پستانداران) سازوکارهای تهویه‌ای وجود دارد. این سازوکارها باعث ورود پیوسته هوای تازه به نواحی مبادله‌ای می‌شوند.
شکل 22 - پمپ فشار مثبت در قورباغه
انواع تهویه در مهره‌داران
پمپ فشار مثبت: در دوزیستانی مانند قورباغه، هوا توسط ماهیچه‌های دهان و حلق به شش‌ها رانده می‌شود؛ روشی که شبیه بلعیدن است.
پمپ فشار منفی: در انسان، هوا به دلیل مکش ناشی از کاهش فشار در قفسه سینه وارد شش‌ها می‌شود. افزایش حجم قفسه سینه فشار منفی ایجاد می‌کند و هوای بیرون را به درون شش‌ها می‌کشد. هنگام بازدم، کاهش حجم قفسه سینه باعث خروج هوا می‌شود.
تنفس در پرندگان: پرندگان به علت پرواز، نسبت به سایر مهره‌داران انرژی بیشتری مصرف می‌کنند. آن‌ها علاوه بر شش، دارای ساختارهایی به نام کیسه‌های هوادار هستند که کارایی تنفس را نسبت به پستانداران افزایش می‌دهند.
نکته: در کیسه‌های هوادار تبادل گازهای تنفسی انجام نمی‌شود.
شکل 23 - دستگاه تنفسی در پرندگان
مقایسه روش‌های تهویه و ویژگی‌های تنفسی در مهره‌داران
پمپ فشار مثبت (قورباغه) | پمپ فشار منفی (انسان) | |
سازوکار اصلی | راندن هوا به شش‌ها | مکش هوا به شش‌ها |
نحوه ورود هوا | ماهیچه‌های دهان و حلق (شبیه بلعیدن) | کاهش فشار در قفسه سینه (افزایش حجم) |
نحوه خروج هوا | انقباض ماهیچه‌های دهان و حلق | کاهش حجم قفسه سینه |