Trao đổi khí và các cơ quan hô hấp

Cách động vật xây dựng bề mặt hô hấp – mang, phổi, khí quản và da – cho phép oxy đi vào và carbon dioxide đi ra đủ nhanh để duy trì sự sống trong nước và trên cạn.

Definition

Trao đổi khí là sự di chuyển của oxy và carbon dioxide giữa một loài động vật và môi trường của nó qua một bề mặt hô hấp, và các cơ quan hô hấp là những cấu trúc chuyên biệt cung cấp một bề mặt lớn, mỏng, được thông khí tốt và tưới máu tốt cho quá trình khuếch tán đó.

Scope

Chủ đề này bao gồm vật lý và thiết kế trao đổi khí ở động vật: sự phụ thuộc của khuếch tán vào diện tích bề mặt, độ dày và gradient; sự thông khí của môi trường hô hấp; và kiến trúc tương phản của mang cá, phổi động vật có xương sống, hệ thống phổi-túi khí một chiều ở chim, khí quản côn trùng và trao đổi qua da. Nó đề cập đến cách các đặc tính của nước so với không khí định hình chiến lược hô hấp và chi phí hô hấp. Phạm vi bao phủ mang tính so sánh và cơ chế.

Core questions

• Những yếu tố vật lý nào quyết định tốc độ trao đổi khí qua bề mặt hô hấp?
• Mang cá lấy oxy từ nước như thế nào mặc dù hàm lượng oxy thấp và mật độ cao?
• Tại sao phổi chim được sắp xếp để luồng không khí đi một chiều, và lợi thế đó mang lại là gì?
• Côn trùng cung cấp oxy cho các mô của chúng như thế nào mà không cần sắc tố hô hấp?

Key theories

Nguyên lý khuếch tán trao đổi khí của Fick

Tốc độ truyền khí qua bề mặt hô hấp tỷ lệ thuận với diện tích của nó và gradient áp suất riêng phần, và tỷ lệ nghịch với độ dày của nó, điều này giải thích tại sao các cơ quan hô hấp mỏng, rộng và được thông khí và tưới máu tốt.

Thiết kế trao đổi ngược dòng và dòng chảy chéo

Mang cá cho nước và máu chảy ngược chiều và phổi chim sử dụng cách sắp xếp dòng chảy chéo, cả hai đều duy trì gradient thuận lợi dọc theo bề mặt trao đổi và chiết xuất nhiều oxy hơn so với một bể trộn đơn giản.

Mechanisms

Các bề mặt hô hấp được giữ mỏng và lớn để tối đa hóa sự khuếch tán, và môi trường được di chuyển qua chúng bằng cách thông khí trong khi máu được di chuyển bên dưới chúng bằng cách tưới máu. Cá bơm nước qua các lá mang theo dòng chảy ngược chiều với dòng máu, duy trì sự hấp thụ oxy từ nước nghèo oxy. Phổi động vật có vú thông khí theo kiểu thủy triều, trộn lẫn không khí tươi và không khí còn lại, trong khi chim đẩy không khí một chiều qua các phế quản song song cứng nhắc bằng cách sử dụng túi khí, đạt hiệu quả cao. Côn trùng bỏ qua hoàn toàn quá trình vận chuyển máu, dẫn không khí qua các khí quản phân nhánh trực tiếp đến các tế bào và điều hòa trao đổi bằng lỗ thở. Da đóng vai trò là bề mặt hô hấp ở động vật lưỡng cư và các loài động vật có da ẩm ướt khác. Bởi vì nước chứa ít oxy hơn không khí và tốn kém hơn để di chuyển, động vật thủy sinh dành một phần lớn năng lượng của chúng cho việc thông khí.

Clinical relevance

Các nghiên cứu so sánh về thiết kế cơ quan hô hấp làm sáng tỏ các nguyên tắc trao đổi khí hiệu quả và hậu quả của sự khuếch tán bị suy giảm, cung cấp thông tin cho nghiên cứu về chức năng hô hấp và về các thiết bị trao đổi mô phỏng sinh học. Mục này là tài liệu tham khảo giáo dục, không phải hướng dẫn y tế.

History

Công trình định lượng của Krogh về khuếch tán và trao đổi khí đã đặt ra khuôn khổ mà các nhà sinh lý học sau này sử dụng để so sánh mang, phổi và khí quản. Các nghiên cứu chi tiết về phổi dòng chảy chéo ở chim và về trao đổi ngược dòng ở mang đã làm rõ cách kiến trúc hô hấp được điều chỉnh phù hợp với các đặc tính vật lý của môi trường.

Key figures

• August Krogh
• Knut Schmidt-Nielsen
• Johannes Piiper
• Pierre Scheid

Seminal works

• schmidtnielsen1997
• hill2016
• randall2002

Frequently asked questions

Tại sao hô hấp trong nước tốn kém hơn hô hấp trong không khí?

Nước mang ít oxy hơn nhiều trên mỗi lít so với không khí và đặc hơn, nhớt hơn nhiều, vì vậy động vật thủy sinh phải di chuyển một lượng lớn môi trường nặng để có được cùng một lượng oxy, tốn nhiều năng lượng hơn cho việc thông khí.

Làm thế nào côn trùng có thể sống sót mà không có huyết sắc tố?

Hệ thống khí quản của chúng dẫn không khí trực tiếp đến các mô, vì vậy oxy đến các tế bào bằng cách khuếch tán qua các ống thay vì được vận chuyển bằng sắc tố máu.