Solunum sistemi olarak da adlandırılan, solunum sistemi , kümesidir organ mümkün taşıma yapar hayvanın oksijen (O 2 hücrelerine dışarıdan) (su veya hava) ile ortadan kaldırmak için , karbon dioksit. C ( CO 2 ) hücresel solunum sırasında üretilir . Çünkü hücreler enerji üretmek için O 2 kullanır ve CO 2 salar . Bu hücreler genellikle O doğrudan erişim yok 2 vücutta gömülüdür çünkü.
Yakalamak edebilmek amacıyla gerekli O'yu 2 , karasal hayvanlar genellikle akciğerleri geliştirdik, ya da son derece vaskülarize olan suda yaşayan hayvanlar için solungaçları. Bu organların memeliler için alveoller, kuşlar için parabronşlar, solungaçlar için filamentler ve lameller tarafından ortam ve kan arasındaki değişim yüzeyini arttırması amaçlanmıştır. Ancak gaz değişimi için diğer yüzeyler, özellikle deri kullanılabilir. Akciğerleri doldurup boşaltmak veya solungaçlardan su geçirmek için uygun bir havalandırma sistemi de gereklidir.
Tüm çok hücreli hayvanlar O ihtiyaç 2 yaşamak. Enerji oluşturmak için, hücreler vücutlarında Ç absorbe 2 ve CO serbest 2 . CO yana 2 vücudu için zararlı çok karbonik asit üretir olarak O, aynı oranda bertaraf edilmesi gereken 2 emilir.
Genel solunum mekanizması 4 aşamadan oluşur:
O 2 hücreye girdiğinde hücresel solunum başlar. Adım 1 ve 2'yi gerçekleştirmek için gerekli organlar solunum sistemini oluşturur.
Birçok hayvan, özellikle küçük boyutlu olanlar, bir solunum sistemine sahip değildir, çünkü hücreleri ile dışarısı arasındaki mesafe, gaz alışverişinin doğrudan gerçekleşebileceği kadar küçüktür; örneğin denizanası ve tenyalarda durum böyledir . Böcekler , bir havalandırma sistemi, ancak vücutlarındaki içindeki gazın bir ulaşım; hücreleri doğrudan dışarıya bağlayan tüplere sahiptirler. Pletodontidae familyasından semenderlerin havalandırma sistemi yoktur, gazların geçişi sadece deri yoluyla olur.
Dahili havalandırmalı hayvanlar için havalandırma iki şekilde yapılabilir:
Bu, sadece sağlar, çünkü tek yönlü akış nefes daha verimli devamlı O kaynağı 2 , aynı zamanda O akışına karşı kan akışı 2 O emilme bir optimizasyon sağlar 2 .
Hava daha fazlasını içerir zamanda O 2 sudan (deniz seviyesinde, hava 209 ml / L ihtiva eder ve 0 ° C sıcaklıkta, taze su içinde °, su 10 ml / l'lik bir maksimum içerir.). Hava soluyan hayvanlar için değişim yüzeyi, su soluyan hayvanlara göre orantılı olarak daha düşüktür. Benzer şekilde, havanın viskozitesi havaya göre daha düşük olduğu için havalandırma için gereken enerji de azalır. Metabolizması çok yüksek olan ve dolayısıyla büyük miktarda oksijene ihtiyaç duyan memeliler, oldukça verimsiz bir solunum sistemine sahiptir.
Hava soluma ile ilgili bir problem, havanın solunum yüzeylerini kurutmasıdır, bu nedenle su ortamında yaşamayan hayvanlar için hava soluma vücut içinde uygun bir salgı ile korunan ve nemlendirilen bir ortamda gerçekleşir. Ayrıca hava bir gaz olduğu için kolayca sıkıştırılabilir, bu da havayı gaz değişim yüzeylerine getiren boruların açık kalmasını ve çökmemesini gerektirir.
Çoğu memeli birincil solunum sistemi kullanılarak nefes değil, aynı zamanda CO% 2,% 1 yayan 2 cilt yoluyla. Yarasalar onların CO% 12'ye kadar çıkarmak için bile edebiliyoruz 2 onların uçuş sırasında.
Havalandırma organlarıMemelilerde hava burundan girer , boğazdan ( yutak , sonra gırtlak ) ve soluk borusundan geçer , daha sonra akciğerlere giren biri sağda diğeri solda olmak üzere iki tüpe bronşlara geçer . Bu akciğerlerin her birinde, bronşlar daha küçük ve daha küçük hava yollarına, bronşiyollere , küçük keselere, iç dolaşımla değişimin gerçekleştiği alveollere , kana dallanır .
Bu nedenle memelilerin gelgit solunumu vardır: hava, inspirasyon sırasında alveollere emilir ve ekspirasyon sırasında aynı yolla ters yönde dışarı atılır.
Burundan geçen hava ısıtılır, nemlendirilir ve kısmen filtrelenir. Farinks seviyesinde yemek borusu ile bir haç vardır, yemek için kullanılan tüp; gırtlak ile bağlantılı özel bir mekanizma, solunum yoluna yiyecek girmeden yutmayı sağlar. Trakeanın tepesinde, bezler hava yollarını yağlayan mukus salgılar ve küçük kirpikler yabancı maddeleri dışarı iter. Trakea ve bronşlar, bu tüplerin açık kalmasını sağlayan küçük kıkırdaklı dairelerle çevrilidir . Küçük bronşiyoller, alveollerdeki hava miktarını düzenlemeye yardımcı olan kaslarla çevrilidir.
havalandırma mekanizmasıAkciğerler göğüs kafesinin çoğunu kaplar . Çok esnektirler ve artık gerilmedikleri anda şekillerine geri dönerler. Her akciğer, içinde sıvı bulunan çift duvarlı bir kese olan plevral keseye daldırılır; bu, solunum hareketleri sırasında göğüs kafesine kaymalarına izin verir. Göğüs kafesine plevral keseler bağlanır.
Büyük bir kubbe şeklindeki kas, diyafram , göğüs kafesini aşağı doğru sınırlar. İnspirasyon sırasında bu kas kasılır, aşağı iner ve böylece göğüs kafesinin hacmini genişletir. Akciğerler genişler ve genişler, dışarıdan hava çeker. Nefes verirken diyafram gevşer, akciğerler normal şekline döner, diyaframı yukarı çeker ve havayı dışarı iter.
Egzersiz sırasında, hücreler O için artan bir ihtiyaç 2 . Nefes sayısı ve nefes hacmi artacaktır. Örneğin, hızlı süratli 450 kg'lık bir at, dinlenme halindeyken solunum hızını dakikada 12 döngüden dakikada 60 döngüye çıkaracak ve solunan hava hacmi, dinlenmede 6 litreden 25 litreye 4 ile çarpılacaktır. hızlı tırıs sırasında. Solunum hacmini artırabilmek için diyaframın yanı sıra göğüs kafesinin kaburgaları arasında bulunan diğer kaslar, interkostal kaslar kullanılır . Aktif inspirasyon sırasında, dış interkostal kaslar, kaburgaları ve sternumu kaldırmak ve böylece göğüs kafesinin ve dolayısıyla ona bağlı akciğerlerin hacmini artırmak için kasılır.
Aktif ekshalasyon sırasında, iç interkostal kaslar kasılır, göğüs kafesinin hacmini azaltır ve kaslar göğüs kemiğinin hemen altında midede bulunur, rektus abdominis kasları diyaframı yukarı doğru itmek için kasılır ve akciğerlerin hacmini daha da azaltır.
alveollerİnsan akciğerleri 0,3 mm çapında yaklaşık 600 milyon alveol içerir. Elastikiyetine katkıda bulunan ince bir sıvı tabakası ile içeride nemlendirilirler, ancak aynı zamanda soketin tamamen geri çekilmesini önlerler. Her alveolün duvarı, çok yassı hücrelerden oluşan bir tabakadan oluşur ve pulmoner kılcal damarlar adı verilen çok yoğun bir küçük kan damarı ağı ile çevrilidir . Hava ile bu kılcal damarlar arasındaki toplam değişim yüzeyi, insanlarda yaklaşık 150 m², küçük bir tenis kortu büyüklüğündedir. Küçük hayvanlar oransal olarak daha fazla ısı kaybeder ve bu nedenle gerektiren bir yüksek metabolizmaya sahip orantılı olarak artan O 2 kaynağı ; ve akciğerlerinin hacmi orantılı olarak biraz daha küçük olmasına rağmen, değişim yüzeyi orantılı olarak çok daha büyüktür, çünkü alveollerin boyutu küçülür, böylece sayıları artabilir ve pulmoner kılcal damarların yoğunluğu artar.
O 2'nin kanda taşınmasıTüm omurgalıların , akciğerler ve hücreler arasında gaz taşıyan bir kan dolaşımı vardır. Memeliler ve kuşlar, O 2 açısından zengin kan ile CO 2 açısından zengin kan arasında tamamen ayrı bir dolaşıma sahiptir .
O 2 değildir çözülmüş kanda çok az. Bir insan O 250 ml (= 0.25 litre) tüketir 2 dakikada, ancak O, sadece 15 ml 2 , herhangi bir zamanda kan içerisinde çözündürülür. O 2'nin 4 molekülünü bağlayabilen omurgalılar için bir protein olan hemoglobin , gerekli O 2'yi taşıyacaktır . Her kırmızı kan hücresi yaklaşık 250 milyon hemoglobin molekülü içerir. Memelilerde, O% 98.5 2 , bu şekilde taşınır. Balıklarda oran daha düşüktür, %95 civarındadır. Çok soğuk ve yüksek oksijenli bir denizde yaşayan Antarktika'nın buz balığı olan bazı balıklarda hemoglobin yoktur, O 2 sadece kanda çözünmüş halde taşınır. Kırmızı kan hücrelerinin sayısı, uzun süreli fiziksel aktivite, yüksek irtifalarda kalma veya hastalık sırasında değişir.
Hemoglobin, 4 demir atomu içeren çok büyük bir moleküldür ve O 2 bağlandığında kırmızı, aksi takdirde mavidir. Bir türden diğerine birçok varyasyonu vardır ve hatta insanlarda bile hemoglobin bileşimi fetüs, yenidoğan ve yetişkin arasında değişir. Hemen hemen tüm hayvanlar nakil O hemoglobin kullanmak 2 , ancak örümcekler, kabuklular ve bazı yumuşakçalarda, hemoglobin ile değiştirildiği hemosiyanin demir ile ikame edilir bakır .
Memeliler da O saklamak 2 bir protein, bağlı kaslarda, miyoglobin hızla Ç sağlayabilmektedir böylece, 2 egzersiz sırasında hücrelere. Özellikle bu protein ete kırmızı rengi verir çünkü hemoglobin gibi oksijenli demir içerir . Başka bir protein olan nöroglobin , beyinde benzer bir işleve sahiptir.
CO Taşıma 2 kandakiCO 2'nin kanda taşınması 3 şekilde gerçekleşir:
Bir gaz, A ortamındaki kısmi basıncı B ortamından daha büyükse , A ortamından B ortamına doğal olarak yayılacaktır ; bu fiziksel olaya difüzyon denir . O 2 ve CO 2 alışverişi , alveollerde bulunan hava ile pulmoner kılcal damarlar arasında difüzyonla gerçekleşir, çünkü alveollerin havasındaki O 2'nin (P (O 2 ) kısmi basıncı ) P'den daha yüksektir ( O 2 ) pulmoner kapillerlerde. Benzer şekilde, P (CO 2 alveollerin havada) P (CO daha düşük olan 2 kılcal olarak).
Havada : Deniz seviyesindeki havanın basıncı 760 mmHg (milimetre cıva) ve O 2 %21'dir; P (O 2 ) y bu nedenle %21 x 760 mmHg = 160 mmHg'dir. CO oranı 2 , P (CO, yani% 0.04 olan 2 ) 0.3 mmHg =. Azot, havanın çoğunluğunu, yani %78'ini temsil eder.
Alveollerde : İnsanlarda normal bir ekspirasyonun sonunda akciğerlerin hacmi yaklaşık 2,2 litredir. Solunan zorlanmamış hava yaklaşık 0,5 litredir, ancak gerçekte alveollere yalnızca 0,35 litre ulaşır. Yani oradaki havanın sadece %16'sı yenileniyor. İstirahat solunum sırasında, gaz oranları% 14, O ile ilgili diğer bir deyişle, nispeten sabit olan 2 ,% 5 CO 2 ,% 6 su buharı (solunan havanın yüksek oranda nemlendirilmesi) ve% 75 nitrojen. Kısmi basınçları, bu nedenle yaklaşık olarak P (O 2 ) = 100 mm Hg ve P (CO 2 ) = 40 mm Hg.
Hücrelerden gelen kanda : Akciğerlere giren kan vücudun O 2 verdiği hücrelerle temas etmiş ve CO 2 atılımlarını toplamıştır . Elde edilen kısmi basıncı P (O 2 ) = 40 mm Hg ve P (CO 2 ) = 46 mm Hg.
Kan ve alveoller arasındaki difüzyon : Alveollerdeki P (O 2 ) kandakinden daha büyük olduğu için O 2 kana difüze olur. Benzer şekilde, kanda P (CO 2 ) alveollerdekinden daha yüksektir, bu da CO 2'nin alveollere yayılmasına neden olur . Hemoglobin O ekler 2 ve doymuş hale gelir.
Kanda hücrelere : Difüzyon olayı nedeniyle gazların kısmi basınçları dengelenir. Akciğerlerden çıkan kandaki çeşitli gazların kısmi basınçları bu nedenle alveollerdeki basınçlara eşittir, yani P (O 2 ) = 100 mmHg ve P (CO 2 ) = 40 mmHg. Azot da kanda çözülür, ancak çok düşük bir oranda.
Hücre düzeyinde : Hücreler sürekli olarak O 2 tüketir ve CO 2 üretir . O 2 dolayısıyla hücre ve CO içine yayılır 2 kana.
Özellikle baskılara Adaptasyonlar : kaplan kaz üzerinde uçan Himalaya , bir P (O uyarlanmış 2 daha fazla O çeken bir hemoglobin sahip olarak% 30 oranında azaltılmıştır) 2 , daha büyük bir inspirasyon hacmi ve mitokondri daha verimlidir. Buna karşılık, suyun derinliklerine dalan memeliler , normal basıncın 200 katına kadar basınçlara dayanmalarını sağlayan daldırma refleksi adlı mekanizmalar geliştirmiştir . Bu mekanizma kalp atış hızını düşürür, gerekli olmayan organlara (özellikle uzuvlara) kan akışını keser ve vücut ısısını düşürür. Dalışa alışmış hayvanların da nitrojenin zararlı etkilerinden korunma yolları vardır . Azot normal basınçta kanda az çözünür, ancak basınç arttıkça kandaki azot miktarı da artar. Dalış sırasında nitrojen kana karışmasın diye dalıştan önce hayvan nefesini verir ve alveoller bile çökerek gaz alışverişini durdurur. Bu solunum durmasını telafi etmek için kan hacmi orantılı olarak çok daha yüksektir, hemoglobin konsantrasyonu daha yüksektir, kaslar daha fazla miyoglobin ve beyin daha fazla nöroglobin içerir.
Kuşların solunum sistemi memelilerinkinden daha verimlidir; bu özellik, uçuş için gereken muazzam çabayı desteklemelerini sağlar. Bu verimlilik, özellikle hava giriş ve çıkışı için farklı yollar kullanarak havanın akciğerlerden geçmesine izin veren bir yapıdan kaynaklanmaktadır. Bu hava yolu, gaz değişimi (akciğerler) ve hava pompalama (hava keseleri ) işlevlerinin ayrılmasıyla elde edilir .
Akciğerlerin ventilasyon işlevi olmadığı için nispeten küçük ve serttirler. Ana özellikleri, memelilerin akciğerlerinde olduğu gibi alveollerin değil, gazların değişimi için küçük tüplerin kullanılmasıdır; bu tüplere parabronş denir ve hava içlerinden sürekli ve tek yönlü olarak akar.
Havanın pompalanması, iki gruba ayrılan birkaç hava kesesi (örneğin tavukta sekiz) tarafından gerçekleştirilir: ön hava keseleri (başa doğru uzanan) ve arka hava keseleri (başa doğru uzanan). ). Bu hava keseleri, güçlü havalandırma sağlayan kaburgaların belirli bir hareketiyle etkinleştirilir. Anterior keseler, solunan havanın çoğunu nazal pasajlardan ve ardından inspirasyon sırasında trakeayı alır; bu hava ekshalasyonda parabronşlardan itildikten sonra, bir sonraki nefeste ön hava keselerinde depolanır ve ikinci nefeste dışarı atılır:
Böylece her nefeste arka hava keselerine temiz hava çekilirken aynı zamanda bir önceki döngüden gelen hava ön hava keselerine çekilir. Benzer şekilde, her ekshalasyonda, arka hava keselerinden gelen hava, ön hava kesecikleri havayı dışarı iterken aynı anda parabronşlardan itilir. Bir aerodinamik valf sisteminin havayı doğru yönlere yönlendirdiği varsayılır.
Bu çok uygun hava dolaşımına ek olarak, parabronşların özel anatomisi, hava akışının kanınkine zıt yönde olması, özellikle verimli bir gaz değişimine izin verir.
Bu sürüngenlerin akciğerleri, büyük alveollere benzer havalandırılmış torbalardır, ancak gelgit havalandırması ile gaz değişim yüzeyini arttırmak için aşağı yukarı içe doğru katlanır. Bu sürüngenlerin diyaframı yoktur ve kaburgalarındaki kasları göğüs kafesini büyütmek için kullanırlar ve böylece havayı ciğerlerine zorlarlar. Göğüs kafesini hareket ettiremeyen kaplumbağalar, akciğerlerini büyütmek için bacaklarını germek zorundadır.
TimsahlarTimsahlar, memeliler gibi alveoler olarak nefes almazlar. Akciğerlerinde kuşlarınkine benzer parabronşlar bulunur. Havalandırma, diyaframa benzer, ancak akciğerlerin ikincisine bağlı olduğu karaciğerin altında bulunan bir kas yoluyla yapılır. Bu diyafram gerildiğinde karaciğeri geri çeker ve böylece havayla dolan akciğerleri büyütür.
Amfibiler, solungaçları kullanarak nefes alma ile sucul bir aşamada başlayan ve çoğunlukla pulmoner solunum kullanarak yetişkin bir aşamaya dönüşen yaşam döngüleriyle karakterize edilir. Evrimin sadece bir aşaması olabileceği ve pulmoner solunumun tamamen deri yoluyla solunumla değiştirilebileceği için bu tanımlamanın birçok istisnası vardır.
Anura (amfibi kısmını oluşturan esas olarak kurbağa ve kurbağalar) yetişkin büyük hariç, alveoller olmaksızın akciğerlere basitleştirmişlerdir. Akciğerlerin havalandırılması, akciğerlerdeki havayı sıkıştıran ağız tabanının bir hareketi ile yapılır; bu hareket dışarıdan görülebilir. Akciğerler dolduğunda, akciğerlerin doğal elastikiyeti yoluyla hava dışarı verilir.
Amfibiler havada olduğunda, O 2 esas akciğerler tarafından yakalanır ancak CO 2 deriden salınır. Suda olduklarında, O 2 deri yoluyla emilir. Bu nedenle kan dolaşımı yeniden oksijenlenmek için akciğerlere ve cilde gidecektir.
Böcekler trakea oluşan bir solunum sistemi: tüpler adı deliklerden dışarıya açık olduğu spiracles için vücut içinde üzerinden ve hangi dal ile doğrudan O dağıtmak 2 organlara. Bu sistem sayesinde böcekler solunum için bir dolaşım sistemi kullanmazlar; kan damarları gaz taşımaz.
Uçan böcekler ve oldukça büyük olanlar, vücut veya karın kasları veya baş veya göğüs hareketleri tarafından harekete geçirilen hava keseleri aracılığıyla havalandırmaya sahiptir.
Hava yolu solunum sistemi organları da solunum için gerekli olmayan işlevlere sahip olabilir:
Ses üretimiGırtlak, soluk borusunun girişinde bulunur ve nefes verme sırasında titreşebilen ve böylece ses çıkarabilen belirli kıvrımları, ses tellerini içerir .
Kuşlarda, gırtlak, iki bronşun tam ayrıldığı yerde, altta bulunan sirenks ile değiştirilir . Her bronşun tepesinde bulunan ve iki zar oluşturan darlıklardan oluşur. Kuş, akciğerlerden çıkan havanın basıncını düzenleyerek bu zarları titreştirebilir ve böylece ses üretebilir (bkz . kuşların seslendirilmesi ).
KokuKoku alıcıları tüm omurgalılarda burnun içinde bulunur; her nefeste uyarılırlar. İnsanlarda yaklaşık 5 milyon reseptör bulunurken, kemirgenler ve etoburlarda 10 kat daha fazla reseptör bulunur.
Nem ve ısı regülasyonuMembranlar kuru ise O 2 ve CO 2 emilemez. Akciğerlerdeki hava, sıcakkanlı hayvanlar (memeliler ve kuşlar) için suyla doyurulur. Ekshalasyon sırasında çok fazla su ve ısı kaybetmemek için burunda, burun konkalarında bulunan kemik bıçaklar , alışverişi düzenlemeyi mümkün kılar.
Venöz dolaşıma yardımcı olurYapısı gereği akciğerlerdeki hava basıncı dışarıdaki hava basıncından biraz daha düşüktür. Akciğerlerden geçen damarlar bu nedenle diğer damarlara kıyasla basınç altındadır, bu da toplardamar kanının aşağıdan yukarıya doğru akışını kolaylaştırır (bkz. toplardamar dönüşü ).
Suda solunum için mevcut olan O 2 konsantrasyonu, havadakine kıyasla çok düşüktür; ayrıca bu konsantrasyon, suyun sıcaklığına ve tuzluluğuna, ayrıca akıntılara ve derinliğe bağlı olarak büyük ölçüde değişir. Ancak suyun viskozitesi, düzenli vuruşlarla düzenli bir akımın oluşturulmasını da kolaylaştırır.
Cilt nefes suda yaşayan hayvanlar daha büyük yaygın bir nefes mekanizmasıdır. Daha büyük hayvanlar için ( yumuşakçalar , annelidler , kabuklular , balıklar ) deri yoluyla bu solunum , suda yaşayan hayvanlarda akciğer görevi gören solungaçlarla desteklenir . Aksolotl veya nudibranch için harici olabilen bu solungaçlar, verimli gaz alışverişine izin veren yüksek oranda vaskülarize filamentlerin dallı kümelerinden oluşur.
Balık durumunda, başın her iki tarafında iki solungaç bulunur. Kemikli balıklar için içeridedirler ve sert bir plaka olan operculum tarafından korunurlar . Her solungaç normalde gaz değişiminin gerçekleştiği lamellerden oluşan filamentlerin tutturulduğu 5 çift dal kemerinden oluşur. Bu lamellerin sayısı milyonlarla ifade edilir.
Su, ağızdan giren ve operkulumun arkasına doğru çıkan solungaçlardan geçer. Suyun kana ters yönde akması, kanın her zaman bol oksijen içeren su içerisinde bulunmasını ve böylece maksimum miktarda oksijen toplamasını sağlar. Bu solungaçların havalandırılması ya ağız açılarak yüzerek ya da solungaçların aktif pompalanmasıyla yapılabilir; ton balığı gibi bazı balıklar aktif havalandırma olanağını yitirmiştir ve bu nedenle nefes alabilmek için sürekli yüzmek zorundadır.
Solungaçların evrimsel kökeni akciğerlerle aynı değildir. Akciğerli balıklar gibi bazı balıklar, nemli bir ortamda ancak sıvı su olmadan belirli bir süre hayatta kalmalarını sağlayan solungaçların yanı sıra akciğerlere de sahip olma özelliğine sahiptir.
Yumuşakçaların gövdesi üç temel bölümden oluşur:
Bu mantonun uzantısı, solungaçların, anüsün ve boşaltım gözeneklerinin bulunduğu, palleal boşluk adı verilen su dolu bir bölme oluşturur. Palleal boşluğun önemli bir rolü vardır: suyun sürekli dolaşımı. Bu sirkülasyon, O 2'yi solungaçlara getirir ve tüm atıkları ortadan kaldırır. Su O taşıdığı zaman 2 ve gıda, su, bir inhalant sifon adı verilen bir açıklık içinden palleal boşluğuna girer. Solungaçları fazla geçtikten sonra, su şimdi CO taşıyan 2 ve bu kez nefes veren sifondan çıkan atık.
Sudaki solunum sistemi organları da solunum için gerekli olmayan işlevlere sahip olabilir. Birçok iyon, tuz, mineral ve besin alışverişi için kullanılırlar. Örneğin kemikli balıklarda solungaçlarda vücuda zararlı amonyağın atılmasını sağlayan özel hücreler bulunur .