Sistemul respirator la animale – Schimbul de gaze – Difuzia directă

Figura 39.1 Plămânii, care apar ca țesut aproape transparent care înconjoară inima în această radiografie a unui câine (stânga), sunt organele centrale ale sistemului respirator. Plămânul stâng este mai mic decât plămânul drept pentru a găzdui spațiu pentru inimă. Nasul unui câine (dreapta) are o fantă pe partea laterală a fiecărei nări. Când urmărește un miros, fantele se deschid, blocând partea din față a nărilor. Acest lucru permite câinelui să expire prin zona acum deschisă de pe partea laterală a nărilor fără a pierde mirosul urmărit. (Credit a: modificarea lucrării lui Geoff Stearns; b: modificarea lucrării lui Cory Zanker)

Respirația este un eveniment involuntar. Cât de des se inspiră și cât de mult aer se inhalează sau se expiră sunt strict reglementate de centrul respirator din creier. Oamenii, atunci când nu fac efort, respiră în medie de aproximativ 15 ori pe minut. Câinii, precum câinele din Figura 39.1, au o frecvență respiratorie de aproximativ 15-30 respirații pe minut. Cu fiecare inhalare, aerul umple plămânii, iar cu fiecare expirație, aerul iese în aer. Acel aer face mai mult decât să umfle și să dezumfle plămânii din cavitatea toracică. Aerul conține oxigen care traversează țesutul pulmonar, intră în fluxul sanguin și călătorește către organe și țesuturi. Oxigenul (O₂) intră în celule, unde este utilizat pentru reacții metabolice care produc ATP, un compus cu energie ridicată. În același timp, aceste reacții eliberează dioxid de carbon (CO₂) ca produs secundar. CO₂ este toxic și trebuie eliminat. Dioxidul de carbon iese din celule, intră în fluxul sanguin, se întoarce în plămâni și este expirat din organism în timpul expirației.

Sisteme de schimb de gaze

Funcția principală a sistemului respirator este de a furniza oxigen celulelor țesuturilor corpului și de a elimina dioxidul de carbon, un produs rezidual celular. Principalele structuri ale sistemului respirator uman sunt cavitatea nazală, traheea și plămânii. Toate organismele aerobe necesită oxigen pentru a-și îndeplini funcțiile metabolice. De-a lungul arborelui evolutiv, diferite organisme au conceput diferite mijloace de obținere a oxigenului din atmosfera înconjurătoare. Mediul în care trăiește animalul determină în mare măsură modul în care acesta respiră. Complexitatea sistemului respirator este corelată cu dimensiunea organismului. Pe măsură ce dimensiunea animalului crește, distanțele de difuzie cresc, iar raportul dintre suprafață și volum scade. La organismele unicelulare, difuzia prin membrana celulară este suficientă pentru furnizarea de oxigen celulei (Figura 39.2). Difuzia este un proces de transport lent, pasiv. Pentru ca difuzia să fie un mijloc fezabil de furnizare a oxigenului celulei, rata de absorbție a oxigenului trebuie să corespundă cu rata de difuzie prin membrană. Cu alte cuvinte, dacă celula ar fi foarte mare sau groasă, difuzia nu ar putea furniza oxigen suficient de repede în interiorul celulei. Prin urmare, dependența de difuzie ca mijloc de obținere a oxigenului și eliminare a dioxidului de carbon rămâne fezabilă doar pentru organismele mici sau cele cu corpuri foarte aplatizate, cum ar fi mulți viermi plați (Platyhelminthes). Organismele mai mari au fost nevoite să dezvolte țesuturi respiratorii specializate, cum ar fi branhii, plămâni și căi respiratorii, însoțite de sisteme circulatorii complexe, pentru a transporta oxigenul în întregul corp.

Figura 39.2 Celula algei unicelulare Ventricaria ventricosa este una dintre cele mai mari cunoscute, ajungând la un diametru de la unu la cinci centimetri. Ca toate organismele unicelulare, V. ventricosa schimbă gaze prin membrana celulară.

Difuzie directă

Pentru organismele multicelulare mici, difuzia prin membrana externă este suficientă pentru a le satisface nevoile de oxigen. Schimbul de gaze prin difuzie directă prin membranele de suprafață este eficient pentru organismele cu diametrul mai mic de 1 mm. La organismele simple, cum ar fi cnidarii și viermii plați, fiecare celulă din corp este aproape de mediul extern. Celulele lor sunt menținute umede, iar gazele difuzează rapid prin difuzie directă. Viermii plați sunt viermi mici, literalmente plați, care „respiră” prin difuzie prin membrana externă (Figura 39.3). Forma plată a acestor organisme mărește suprafața de difuzie, asigurându-se că fiecare celulă din corp este aproape de suprafața membranei externe și are acces la oxigen. Dacă viermele plat ar avea un corp cilindric, atunci celulele din centru nu ar putea obține oxigen.

Figura 39.3 Procesul de respirație al acestui vierme plat funcționează prin difuzie prin membrana externă. (Credit: Stephen Childs)

Sursa: Biology 2e, by OpenStax, access for free at https://openstax.org. ©2020 Rice University, licența CC BY 4.0. Traducere și adaptare: Nicolae Sfetcu, © 2024 MultiMedia Publishing