Tiểu luận Các kiểu hô hấp của động vật

Sự tiến hoá của hệ hô hấp bắt đầu từ dạng đơn giản, thu nhận O2 qua bề mặt cơ thể tiến tới có cơ quan chuyên hoá như mang động vật ở nước hoặc ống khí, phổi, túi khí động vật ở cạn và ho

PHẦN MỞ ĐẦU

Cơ thể có thể hoạt động bình thường khi được cung cấp đầy đủ năng

lượng Năng lượng của cơ thể phần lớn được cung cấp do quá trình ôxy hoá

(hô hấp) các chất hữu cơ trong nội bộ tế bào của cơ thể tạo nên Bởi vậy, hô

hấp rất cần thiết cho các hoạt động khác nhau trong cơ thể các động vật Quá

trình hô hấp cần O2 tự do trong không khí hoặc hoà tan trong nước

Sự tiến hoá của hệ hô hấp bắt đầu từ dạng đơn giản, thu nhận O2 qua bề

mặt cơ thể tiến tới có cơ quan chuyên hoá như mang (động vật ở nước) hoặc

ống khí, phổi, túi khí (động vật ở cạn) và hoàn thiện dần động tác hô hấp

giúp động vật ngày càng thích nghi với môi trường sống

I ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA HỆ HÔ HẤP

Trong quá trình phát triển chủng loại, hô hấp có hai hình thức phổ biến:

+ Hô hấp trực tiếp: nhận O2 và thải khí CO2 qua toàn bộ bề mặt cơ thể,

như ở động vật nguyên sinh và động vật đa bào thấp

+ Hô hấp gián tiếp:

- Hô hấp bằng con đường kỵ khí, nhờ vào O2 được giải phóng trong quá

trình phân giải chất hữu cơ Đặc trưng cơ bản của động vật cư trú trong môi

trường thiếu ôxy (trong bùn, ký sinh trong ruột, sống trong môi trường bị

thối rữa…)

- Cơ thể tiếp nhận O2 trong không khí và thải khí CO2 ra ngoài qua cơ

quan hô hấp, đây là hình thức đặc trưng của động vật đa bào Cơ quan hô

hấp phát triển dần từ thấp đến cao, từ đơn giản đến phức tạp, đồng thời phụ

thuộc và thích nghi với môi trường sống

Hình 1 Các kiểu trao đổi khí ở động vật (theo Raven) a) Khuyếch tán khí qua màng tế bào; b) Trao đổ khí qua da của ếch;

c) Trao đổi khí qua mấu lồi da của Da gai; d) Trao đổi khí qua ống khí;

e) Qua mang ở cá; f) Qua phổi ở động vật có vú

Các động động vật nguyên sinh và động vật đa bào thấp hô hấp qua

toàn bộ bề mặt cơ thể bằng con đường khuếch tán Đối với những động vật

này, tỷ lệ bề mặt cơ thể với thể tích khá lớn và tốc độ khuếch tán của các khí

qua bề mặt cơ thể không phải là nhân tố hạn chế cường độ hô hấp Ví dụ:

các động vật thấp từ động vật nguyên sinh đến Giun tròn thì sự trao đổi khí

thực hiện qua bề mặt cơ thể Một số động vật này ký sinh trong môi trường

không có hoặc có ít không khí thì quá trình dị hoá diễn ra theo kiểu lên men

– ôxy hoá glycogen trong cơ thể để cung cấp năng lượng trong các hoạt

động sống của nó Chúng chưa có cơ quan hô hấp chuyên hoá

Tuy nhiên, ở các động vật đa bào cao, do chúng hoạt động nhiều, kích

thước cơ thể lớn hơn, hô hấp qua bề mặt không đảm bảo, đòi hỏi phải hình

thành cơ quan hô hấp là mang (động vật dưới nước) hoặc ống khí hay phổi

(động vật trên cạn) Các cơ quan hô hấp này có nguồn gốc khác nhau, nhưng

có nguyên tắc tổ chức giống nhau, song tuỳ mức độ phát triển mà có cấu tạo

khác nhau về chi tiết Nhìn chung, cơ quan hô hấp phải có thành mỏng để

khuếch tán được dễ dàng và luôn luôn phải ẩm ướt để cho khí ở cả hai phía

của màng được hoà tan trong nước Ngoài ra còn cần có các thích khác để

tạo điều kiện cho chất dịch chảy thấm ướt các tế bào Như vậy ở động vật

bậc cao, giữa hệ trao đổi khí và hệ vận chuyển trong có mối tương quan

chức năng rất mật thiết

Hai môi trường sống chính có tác động trực tiếp đến sự phát triển cơ

quan hô hấp và chức năng hô hấp của động vật là môi trường nước và môi

trường trên cạn (trong đó gồm cả trên không) Ở môi trường nước, cơ quan

hô hấp quan trọng là mang, còn ở môi trường trên cạn là khí quản và phổi

(có một vài nhóm động vật tuy sống dưới nước nhưng vẫn thở bằng khí quản

và phổi như cá heo )

II CẤU TẠO CƠ QUAN HÔ HẤP

1 Cơ quan hô hấp ở nước

1.1 Hô hấp bằng mang của nhóm động vật không xương sống

a Mang sách

Mang sách bao gồm các tấm xếp chồng lên nhau như những trang

sách ở dưới phần bụng, chỉ gặp ở một nhóm nhỏ chân khớp cổ ở biển ( sam,

so)

b Mang lá đối

Mỗi mang gồm có nhiều tấm mang hình tam giác xếp thành hai dãy

Dãy tấm mang trong hướng về phía chân và dãy tấm mang ngoài hướng về

phía vạt áo Giữa các tấm mang cùng dãy và giữa phần gốc và phần ngọn

của từng tấm mang có các cầu nối Tấm mang của mang chính thức bao giờ

cũng có các cầu nối dọc giữa các tấm mang cùng dãy và cầu nối ngang giữa

phần gốc và phần ngọn của mỗi tấm Ngọn của tấm mang còn có phần dính

vào gốc mang hình thành khoang gốc mang ít nhiều phân biệt với khoang

áo Mang lá đối là cơ quan hô hấp đặc trưng ở Thân mềm, cấu tạo cũng có

sự sai khác ít nhiều giữa các lớp Ngoài chức năng hô hấp, mang còn vận

chuyển và cuốn thức ăn về miệng

Hình 2 Cấu tạo mang lá đối của Chân rìu.

1 Trục mang 2 Gốc mang; 3 Lá mang; 4 Động mạch

c Mang da

Mang da là các phần lồi của da có chứa một phần thể xoang ở trong,

thường ở trên cực đối miệng hay ở hai bên rãnh ống nước Dưỡng khí thấm

qua thành mang vào dịch thể xoang Dịch này trong suốt và chứa nhiều tế

bào amip

Hình 3 Cấu tạo mang da ở sao biển.

1.2 Hô hấp bằng mang của động vật có xương sống

a Mang ngoài

Mang ngoài đặc trưng của động vật có xương sống ở nước chỉ tồn tại

ở giai đoạn ấu trùng của lưỡng cư, lưỡng cư có đuôi và một vài loài cá nước

ngọt (cá phổi, cá mang tấm)

Mang ngoài phát triển rất sớm ở giai đoạn phôi Chúng sinh ra từ

những chồi biểu bì nằm ở hai bên đầu của cung mang Mỗi chồi kéo dài rồi

phân nhánh dạng lông chim ở hai bên Mỗi mang có nhiều mao mạch phát ra

từ cung động mạch cùng bên Lớp biểu bì bao phủ lúc đầu có nguồn gốc

ngoài bì dần dần bị thay thế bởi lớp biểu bì nội bì mỏng có các sợi mang

nhỏ Các sợi mang nhỏ cử động nhờ sự co rút của các sợ cơ vì vậy mà mang

tiếp xúc với nguồn nước nhiều hơn

b Mang túi cá miệng tròn

Mang trong đặc trưng cho các nhóm động vật có xương sống còn lại

Hầu hết ở giai đoạn phôi của động vật có xương sống nhô ra giữa các cung

tạng của sọ tạng thành các túi nội bì gọi là túi hầu hay túi tạng Các túi mở ra

bên ngoài thành các khe gọi là khe tạng Ở cá và cá miệng tròn, cấu trúc này

cho phép dòng nước đi từ ngoài vào đến miệng rồi đến hầu Cấu trúc này

hoạt động như cơ quan hô hấp nhờ sự phát triển của các tấm mỏng có mạch

máu ở trên thành túi tạo thành mang ngoài được nâng đỡ bởi các cung mang

Các túi mang của cá miệng tròn có một túi mở vào bên trong ống hô

hấp là lỗ mang trong và một ống mỡ ra bên ngoài là lỗ mang ngoài Thành

túi có khoảng 20 nếp ngang gọi là các lá mang, mỗi lá mang loại có các lá

mang nhỏ với nhiều mạch máu là nơi thực hiện sự trao đổi khí Mỗi túi

mang được bao quanh bởi một lớp cơ dọc là cho túi mang cử động hút nước

vào hoặc tống nước ra Giữa hai túi mang là một vách mang ngăn đôi Các

miệng tròn hiện tại có 10 đôi túi mang nhưng chỉ có 7 đôi túi mang mở ra

ngoài

c Mang vách của cá sụn

Các tấm mang phát ra từ các túi mang ở giai đoạn phôi Mỗi tấm

mang có một xương cung mang, dây thần kinh và cung động mạch tương

ứng Khác với cá miệng tròn, tấm mang phát triển thành vách mang Hai bên

vách mang là hai hàng lá mang Tùy theo sự hiện diện của cá hàng lá mang

mà có thể có mang nguyên, mang nửa và mang thiếu cá sụn hiện nay có 5

đôi cung mang phân đốt

Các tấm mang ( cá đuối và cá nhám) có 5 đôi cung mang mở ra ngoài

bằng năm đôi khe mang trần (không có xương nắp mang) Mỗi cung mang

có phần kéo dài ở giữa là vách mang được nâng đỡ bởi cá tia mang Hai bên

vách mang là cá lá mang sơ cấp tiếp tục phân thành các lá mang thứ cấp

vách mang có đầu mút lộ ra bên ngoài của động được là vun nắp mang ( flap

valve) Một nửa cung mang này hợp với một nửa cung mang kế tiếp có túi

mang ở giữa gọi là đơn vị hô hấp

Hình4 Cấu tạo vách mang cá sụn

d Mang có xương nắp mang ở cá xương

Người ta cho rằng mang cá xương có xương nắp mang bắt nguồn từ

mang có vách mang, nhưng vách mang tiêu giảm chỉ còn lại các lá mang và

lá mang ngắn Các lá mang trở nên cử động tự do hơn Ngoài ra có thêm cấu

trúc mới là sụn mang và xương nắm mang có riềm da bao phủ bên ngoài các

khe mang Cá xương hiện nay có 4 đôi cung mang

Nắp mang cá xương có cấu tạo bằng xương hoặc bằng sụn Nắp mang

bảo vệ cho cung mang và lá mang Nắp mang tham gia một phần trong cơ

chế băm kép của hô hấp mang Trên nắp mang có riềm da viền quanh có vai

trò như van nắp mang ngăn không cho nước đi vào và qua cá khe mang khi

hít vào

Khi cắt ngang, mang có dạng hình chữ V gồm các lá mang sơ cấp, các

là mang thứ cấp và cung mang ( không có vách mang như cá mang tấm) Cơ

mang co rút làm các lá mang và cung mang cử động linh hoạt làm cho dòng

nước đi qua mang Các mao mạch trong lá mang nhận máu đi vào từ các

động mạch tới mang và đưa máu ra khỏi mang qua các động mach nhờ

mang Dòng máu chảy qua ngược chiều với dòng máu chảy trong mao mạch

mang Đặc điểm này tương tự với một hiện tượng trong vật lý gọi là “hiệu

ứng ngược dòng” là tăng hiệu quả trao đổi khí qua mang

Hình 5 Cấu trúc mang cá xương

1.3 Cơ quan hô hấp khác

a Hô hấp qua da

Lưỡng cư là những động vật Có xương sống đầu tiên chuyển từ môi

trường nước lên cạn nên mang các đặc điểm của các động vật Có xương

sống ở cạn nhưng chưa hoàn chỉnh và những đặc điểm của động vật sống ở

nước Chúng thực hiện hô hấp bằng da, phổi (ở con trưởng thành) và bằng

mang (đối với ấu trùng), do đó xương nắp mang tiêu giảm hoàn toàn

Da của lưỡng cư có nhiều mao mạch, da tiết chất nhầy nên luôn ẩm

ướt Da và cơ chỉ dính với nhau một số chỗ nên tạo nhiều khoảng trống, đó

là các túi bạch huyết có vai trò hô hấp rất quan trọng của Lưỡng cư Khả

năng hô hấp bằng da của lưỡng cư hoàn toàn phụ thuộc vào bề mặt da và số

lượng mạch máu nằm trong đó Do đó nhiều loài lưỡng cư vào mùa sinh sản

do yêu cầu dinh dưỡng cao, nên đã phát triển ở trên lưng một cái mào da như

ở kỳ giông có mào hoặc phát triển ở hai bên sườn và đùi những nếp da mỏng

chứa nhiều mạch máu nhỏ góp phần làm tăng diện tích hô hấp qua da

Ở một số loài cá xương, hô hấp qua da do lớp biểu bì và lớp bì có

nhiều mạch máu Ví dụ như lươn, chạch, cá thóc lóc (Periophthalmus)

b Bóng hơi

Nhiều loài cá vây tay có bóng hơi là một túi lẻ dài nằm ở mặt lưng

ống tiêu hóa Đôi khi túi này có một ống ăn thông với ống tiêu hóa Bóng

hơi chúa đầy khí lấy từ ống tiêu hóa hặc từ máu Nếu cơ quan này dóng vai

trò như một cơ quan thủy tỉnh thì gọi là bóng hơi Trong trường hợp thành

bóng hơi có các mao mạch trao đổi khí khi đó là bóng hơi hô hấp

Hình 6 Bóng hơi của cá xương (theo Hickman).

A Bóng hơi trong cơ thể cá; B Bóng hơi phình to do khí xâm nhập vào;

C Khí trong bóng hơi được trao đổi ở mao mạch của cơ quan tuần hoàn

Bóng hơi khác với phổi ở chỗ bóng hơi nằm dài ở mặt lưng ống tiêu

hóa, bóng hơi là ống lẻ ( Neoceratodus) và ở bóng hơi, máu sau khi cung

cấp O2 cho cơ thể quay về hệ tuần hoàn chung trước khi về tim

c Một số cơ quan hô hấp phụ

Hô hấp qua cơ quan trên khoang mang mang (hoa khế) có nhiều mao

quản, hấp thụ ôxy không khí, do cung mang thứ 5 biến đổi thành Ví dụ cá

rô (Clarias), cá chuối (Ophiocephalus), cá trèo đồi (Channa) có hoa khế.

Một số loài có những những vùng đặc biệt để lấy O2 từ không khí

Holopsternum, một loài cá tra nhiệt đới nước ngọt ở Nam Mỹ đớp không khí

và nuốt vào ống tiêu hóa O2 nuốt vào ruột và trên thành ruột có các mao

mạch trao đổi khí Ở cá chình điện Electrophorus nuốt khí giữ lại ở miệng,

xoang miệng có mao mạch trao đổi khí

2 Cơ quan hô hấp ở cạn

2.1 Hệ thống ống khí

Cơ quan hô hấp của phần lớn sâu bọ là hệ ống khí, đây là hệ thống

ống có khung cutin nâng đỡ ở mặt trong, phân nhánh nhiều lần và kết trong

các mô của cơ thể tạo thành mạng lưới thông kín giữa môi trường ngoài và

từng tế bào của cơ thể Hệ ống khí thông với ngoài qua các đôi lỗ thở Một

số sâu bọ có cánh trưởng thành còn giữ 10-12 đôi lỗ thở, có ở cả 3 đốt ngực

Ở sâu bọ có cánh nhiều nhất củng chỉ có 10: 2 đôi trên phần ngưc ở đốt ngực

giữa và ngực sau, còn 8 đôi trên các đốt bụng Khí vào và ra khỏi cơ thể

bằng phát tán từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng động thấp, tuy nhiên ở

nhiều nhóm, thông khí được tăng cường nhờ các đốt bụng hoặc biến dạng

của cơ thể khi di chuyển Sâu bọ bay giỏi có thêm các túi dự trữ khí, lỗ thở ở

nhiều sâu bọ có van khép mở vừa bảo đảm trao đổi nước vừa bảo đảm thông

khí, hoặc thỉnh thoảng ngoi lên trên mặt nước để lấy O2 trong không khí

Không khí có thể lấy trực tiếp qua đôi lỗ thở tận cùng ống thở ở cuối cơ thể,

được bộ lông giữ thành một lớp bọc ngoài cơ thể ( bọ gạo) hoặc trong

khoang nằm giữa cánh cứng và thành lưng của phần bụng ( một số cánh

cứng ở nước)

Hình 7 Cấu tạo cơ quan hô hấp của công trùng (theo theo Hickman)

Với các sâu bọ hoạt động mạnh (ong, một số loài bướm,…) một phần

ống khí có thể chuyển thành buồng dự trử khí và trao đổi khí được tăng

cường nhờ hoạt động của cơ khi bay

2.2 Phổi của động vật không xương sống

Không giống như các hệ thống ống khí phân nhánh khắp cơ thể côn

trùng, phổi là cơ quan hô hấp cư trú Biểu hiện cho sự gấp nếp của bề mặt cơ

thể, phổi thường được phân chia thành nhiều túi nhỏ Vì bề mặt của phổi

không tiếp xúc trực tiếp với tất cả các phần khác của cơ thể, nên khoảng

cách phải được nối từ hệ tuần hoàn, nó vận chuyển khí phổi và các phần còn

lại của cơ thể Phổi đã tiến hóa ở các sinh vật với hệ tuần hoàn hở, như nhện

và sên đất cũng như ở các động vật có xương sống

a “Phổi” của thân mềm ở cạn

Tùy theo loài mà các đôi lá mang thay đổi khác nhau Ví dụ ở Song

kinh có hàng chục đôi, ốc Anh vũ hai đôi, các thân mềm khác chỉ còn một

đôi, tiêu giảm một bên chỉ còn một mang như một số Chân bụng hoặc tiêu

giảm hoàn toàn chuyển chức năng hô hấp cho thành trong khoang áo để biến

thành phổi khi chuyển lên cạn như Ốc phổi

b Phổi sách

Về cấu tạo, phổi sách gồm nhiều tấm xếp chồng lên nhau như những

trang sách, gặp ở một số Hình nhện Phổi sách được coi là dạng biến đổi của

mang sách khi tổ tiên của Hình nhện chuyển lên sống ở cạn, còn thấy rõ

trong phát triển phôi của Nhện phổi

Hình 8 Phổi sách ở nhện

2.3 Hô hấp phổi của động vật có xương sống

a Phổi của cá xương

Có 6 giống cá hiện nay với khoảng 15 loài thuộc 3 nhóm cá xương cổ

là cá nhiều vây, có phổi và cá vây tay có phổi đơn giản tồn tại với cơ quan

hô hấp mang Cá nhiều vây và cá phổi là những loài cá nước ngọt ở vùng

nhiệt đới sống trong các vùng đầm lầy hay các dòng sông khô cạn do các

loài thực vật thủy sinh thối rữa Cơ qua hô hấp phổi bổ sung cho cơ quan hô

hấp bằng mang Cá vây tay là những loài cá có phổi sơ khai hình thành từ

các dạng nguyên thủy của kỷ Đềvôn là tổ tiên của động vật có xương sống ở

cạn phổi có một dôi động mạch phổi do đôi động mạch tới mang của đôi

cung động mạch thứ 6 biến đổi thành

b Phổi của lưởng cư

Sự tiến hoá của phổi từ lưỡng cư đến thú được đặc trưng bởi ba yếu

tố:

- Sự chuyển hoá của lớp biểu bì phổi thành các lỗ tổ ong và các phế

nang làm tăng bề mặt trao đổi khí nhưng không tăng thể tích phổi

- Sự phát triển của lớp mô liên kết với sự gia tăng của hệ mao mạch

phổi

- Sự chuyển hoá của từng đường hô hấp ở ngoài và trong phổi

Sự tiến hoá này đã chia thành hai giai đoạn phát triển hoặc hai loại

phổi: phổi dạng túi gặp ở lưỡng cư và nhiều loài bò sát và phổi dạng nhu mô

gặp ở kỳ đà, cá sấu rùa và thú Ngoài ra là phổi dạng ống ở chim

Hình 9 Phổi dạng túi (A.Beaumont)

A Có đuôi; B Cốc

Đối với lưỡng cư sống ở cạn, khe hầu thường có các lá mang bên

trong Mang ngoài thì có ở ấu trung và lưỡng cư có đuôi Nhưng phần lớn thì

có ở phổi để hô hấp trong không khí Phổi lưỡng cư lúc đầu chỉ là một túi

đơn giản, về sau hình thành các mấu lồi rồi các vách ngăn trong thành phổi,

tiến hóa hơn là túi tổ ông trong phổi Sự phát triển này tăng sự trao đổi khí ở

phổi Trên thành phổi, trên các vách ngăn hoặc thành túi tổ ong là các mao

mạch trao đổi O2 và khí CO2

c Phổi bò sát