Động vật có vú sống ở biển, đại dương cũng như sông hồ, nước ngọt. Một số loài như cá heo, cá voi sống cả đời dưới nước, một số loài như rái cá, hải cẩu,… xuống nước chủ yếu để kiếm ăn. Tất cả các động vật có vú dưới nước đều bơi giỏi và một số loài có thể lặn lâu dưới nước. Thú biển, giống như động vật có vú khác, cần không khí để tồn tại, đặc biệt là oxy. Oxy là một trong những nguồn năng lượng chính của cơ thể và mọi sinh vật không thể sống mà không có nó. Không giống như cá, thú biển phải thường xuyên ngoi lên mặt nước để thở, nhưng chúng có thể ở dưới nước một thời gian tương đối dài, từ 2030 phút với rái cá biển, 43 phút với báo biển Wader, hay thậm chí 12 tiếng với cá voi cỡ lớn. Tương tự, chim cánh cụt sống trên cạn, nhưng chúng kiếm ăn ở dưới nước như nhiều loài chim nước khác. Do chúng không bay được như nhạn biển, hải âu nên thời gian chúng ở trong nước lâu hơn, trung bình nó có thể lặn khoảng 7 phút, cá biệt có một vài loài lên đến 20 phút như chim cánh cụt Hoàng Đế. Vậy chúng có hình thức hô hấp như thế nào để phù hợp với môi trường sống như vậy?
Trang 1THÚ BIỂN, CHIM CÁNH CỤT – THỢ LẶN TÀI BA Phần I: ĐẶT VẤN ĐỀ
Động vật có vú sống ở biển, đại dương cũng như sông hồ, nước ngọt Một số loài như cá heo, cá voi sống cả đời dưới nước, một số loài như rái cá, hải cẩu,… xuống nước chủ yếu để kiếm ăn Tất cả các động vật có vú dưới nước đều bơi giỏi
và một số loài có thể lặn lâu dưới nước Thú biển, giống như động vật có vú khác, cần không khí để tồn tại, đặc biệt là oxy Oxy là một trong những nguồn năng lượng chính của cơ thể và mọi sinh vật không thể sống mà không có nó Không giống như cá, thú biển phải thường xuyên ngoi lên mặt nước để thở, nhưng chúng
có thể ở dưới nước một thời gian tương đối dài, từ 20-30 phút với rái cá biển, 43 phút với báo biển Wader, hay thậm chí 1-2 tiếng với cá voi cỡ lớn
Tương tự, chim cánh cụt sống trên cạn, nhưng chúng kiếm ăn ở dưới nước như nhiều loài chim nước khác Do chúng không bay được như nhạn biển, hải âu nên thời gian chúng ở trong nước lâu hơn, trung bình nó có thể lặn khoảng 7 phút,
cá biệt có một vài loài lên đến 20 phút như chim cánh cụt Hoàng Đế
Vậy chúng có hình thức hô hấp như thế nào để phù hợp với môi trường sống như vậy?
Phần II: NỘI DUNG
1. Sinh lý hô hấp
Hô hấp là một hoạt động chức năng nhằm liên tục cung cấp khí O2 cho mô và thải khí CO2 ra ngoài khỏi cơ thể Hô hấp bao gồm các quá trình chính sau:
- Thông khí phổi: Là quá trình liên tục đưa không khí ra vào phổi để khí ở phế nang thường xuyên được đổi mới (còn gọi là hô hấp ngoài, hô hấp cơ học)
- Quá trình trao đổi khí: Gồm trao đổi khí ở phổi, vận chuyển khí của máu và trao đổi khí ở mô (quá trình lý - hoá của hô hấp)
- Sử dụng O2 cho các phản ứng hoá học xảy ra ở tế bào (hô hấp tế bào được trình bày trong môn Hoá sinh)
Trang 2- Điều hoà hô hấp: Là quá trình thay đổi hoạt động hô hấp (chủ yếu là điều hoà thông khí) để phù hợp với nhu cầu của cơ thể
2. Đặc điểm môi trường nước
Đặc điểm thích nghi của động vật biển
Nước có độ đặc lớn nên có tác dụng nâng đỡ cho các cơ thể sống
- Cơ thể nhiều loài động vật bơi nhanh nhờ hệ cơ phát triển và mình thon nhọn hạn chế sức cản của nước
+Nước có nhiệt độ ổn định hơn trong không khí
+ Cường độ ánh sáng trong nước yếu hơn trong không khí
- Nhiều loài động vật không định hướng theo ánh sáng mà có khả năng định hướng bằng âm thanh Các loài cá và thú biển nhận biết vị trí bờ biển nhờ âm thanh của sóng, sứa nhận biết bão qua nhịp sóng và chúng kịp thời lặn xuống sâu hoặc tìm nơi an toàn ẩn nấp
+Nồng độ ôxi hòa tan trong nước thấp
3. Sự thích nghi hô hấp của động vật có vú và chim ở dưới nước
3.1. Động vật có vú
3.1.1. Bộ cá Voi
Là những loài động vật có vú có đời sống hoàn toàn ở dưới nước nhưng chúng lại thở bằng phổi chứ không thở bằng mang giống như loài cá Sự thích nghi của hệ thống hô hấp
Các lỗ phun nước
Không giống như động vật có vú khác, thở bằng lỗ mũi và miệng, những loài thuộc Bộ cá Voi thở qua lỗ phun nước, nằm ở phía trên đầu của nó Một lý do
Trang 3cho sự khác biệt này là các lỗ phun nước sẽ tạo thuận lợi cho hô hấp ở bề mặt của nước Lỗ phun nước nằm trên đỉnh đầu của nó, chỉ có 1 khu vực nhỏ ở trên đầu là cần thiết để phá vỡ mặt nước để lấy không khí
Những loài thuộc Bộ cá Voi bắt đầu thở trước khi đến mặt nước và điều này sẽ giúp giảm số lượng thời gian dành cho thở ở bề mặt Ví dụ cá heo có thể bắt một hơi thở gấp năm lần trong một phút trước khi lặn một lần nữa, mà không cản trở sự bơi lội của nó Thông thường, một con cá heo thở 2-4 lần mỗi phút khi nó đang bơi gần mặt nước Nó có thể giữ hơi thở của nó khoảng bảy phút hoặc nhiều hơn khi
nó lặn
Phổi
Phổi của cá heo không lớn hơn hoặc nhỏ hơn đáng kể so với động vật có vú ở cạn Rõ ràng, kích thước của phổi không xác định được lượng oxy có thể được lưu trữ và sử dụng
Tuy nhiên, phổi cá heo có chứa rất nhiều phế nang (tế bào khí) so với phổi của con người Phổi cá heo được tạo thành từ hai lớp mao mạch, và sự sắp xếp này làm tăng hiệu quả trao đổi khí vì hầu hết các động vật có vú chỉ có một lớp mao mạch Vì vậy, điều này có nghĩa là diện tích bề mặt của phổi đã được tăng lên rất nhiều và trao đổi khí có thể xảy ra một cách nhanh chóng hơn
Các màng phổi của cá heo là dày và đàn hồi Các mô chuyên hóa chứa lượng lớn các sợi myoelastic nên độ đàn hồi tốt hơn Các ống phế quản được lót bằng các mô
cơ Tiểu phế quản nhỏ được tìm thấy cùng với cơ vòng đó cắt đứt các phế nang từ phần còn lại của phổi
Cơ chế này đặc trưng cho sự trao đổi khí hiệu quả hơn Ở cá heo, phần dư không khí – khối lượng cố định của không khí luôn có ở trong phổi – không bao giờ vượt quá 15% của tổng dung tích, và dung tích cần cho sự sống của chúng – khối lượng của không khí được trao đổi thường xuyên – là trên 85% Trong một số trường hợp thậm chí có thể đạt được 92% Thông thường ở con người, chỉ có 10 đến 20% không khí trong phổi được trao đổi Nhưng ở cá heo khoảng 80-90% được trao đổi,
vì vậy mà cơ thể của chúng có thể nhận được nhiều oxy
Hệ thống hô hấp của cá voi chắc chắn có một số tính năng khác thường, nhưng chúng thích nghi để ngăn nước xâm nhập vào đường hô hấp: đường mũi rất phức
Trang 4tạp, và thanh quản (đầu trên của ống hô hấp) mở rộng lên vào trong khoang mũi hơn mở vào cổ họng Cơ bắp mạnh mẽ tạo thành một lỗ nút đặc biệt trong các lỗ phun nước, ngăn nước xâm nhập vào phổi khi nó ở dưới nước
Vận chuyển oxy
Như đã đề cập trong phần trước đây về phổi, kích thước của phổi không phải
là lý do chính cho kỹ năng lặn của cá heo Thậm chí nếu phổi hoàn toàn đầy không khí, nó sẽ không cho phép cá heo có thể duy trì lặn chừng mười lăm phút Lý do chính tại sao cá heo có thể giữ hơi thở của mình rất lâu là vì sự thích nghi được thực hiện trong hệ thống tuần hoàn Những thích nghi đã tăng lên rất nhiều khả năng của nó để lưu trữ oxy và cải thiện hiệu quả sử dụng oxy
Cá heo chứa hầu hết ôxy trong máu và cơ
Các tế bào hồng cầu, là phương tiện vận chuyển chính để trao đổi oxy, có nhiều ở
cá heo hơn ở người Các tế bào hồng cầu được tìm thấy là lớn hơn trên mỗi đơn vị thể tích máu Nồng độ hemoglobin trong các tế bào hồng cầu là rất cao, do đó làm tăng xu hướng của các tế bào hồng cầu kết hợp với oxy và cũng làm tăng lượng ôxy trong máu có thể mang theo
Hemoglobin cũng được tìm thấy trong các mô cơ, nơi nó được gọi là myoglobin Myoglobin có ái lực với oxy lớn hơn hemoglobin trong máu, và từ đó oxy trong máu được dễ dàng đưa đến các cơ khi máu đi qua Myoglobin có màu đen thẫm đặc trưng và làm cho cơ là một trong các mô lưu trữ oxy chính
Sự tận dụng oxy
Về mặt lý thuyết, O2 mà cá heo hô hấp được không đủ cho nó duy trì lặn lâu Do đó, phải có cơ chế khác cho phép các cá heo sử dụng oxy hiệu quả
Để tận dụng tối đa oxy, một trong những cách là chỉ cung cấp oxy cho những cơ quan cần thiết nhất Khi đang lặn, phân phối lưu lượng máu được điều chỉnh là cung cấp cho các cơ quan quan trọng như não và tim, bộ phận lưu thông không cần thiết sẽ giảm, hoặc có thể bị tắt hoàn toàn Cơ quan như là dạ dày, ruột, thận và cơ nhận được rất ít máu, hoặc trong một số trường hợp, không được cung cấp máu Khi các khu vực không cần thiết không nhận đủ oxy từ máu, nó sẽ ngừng hô hấp bình thường Thay vào đó, nó sẽ chuyển sang hô hấp kỵ khí, một hình thức của sự
Trang 5trao đổi chất mà không cần oxy Nó cho phép các tế bào được đưa vào giữ trong một thời gian mà không cần oxy Tuy nhiên, sự trao đổi chất kỵ khí là không hiệu quả như sự trao đổi chất bình thường vì nó không chỉ tạo ra ít năng lượng hơn mà
nó còn chậm hơn Hơn nữa, axit lactic, một sản phẩm phụ từ quá trình chuyển hóa
kỵ khí gây ra sự mệt mỏi "Thiếu oxy" đang xảy ra là tốt, và chỉ có thể được giải quyết khi nó trở lại bề mặt nước để thở Một khoảng thời gian cũng là cần thiết cho các cá heo sau khi lặn để phá vỡ các axit lactic thành một chất vô hại Cá heo có thể chịu được mức độ cao của acid lactic, cao hơn so với một số động vật có vú trên cạn
Một cách khá tận dụng để cung cấp oxy hạn chế, là giảm nhịp tim của cá heo Điều này có thể được thực hiện bằng một hành động phản xạ của tuyến yên và vùng dưới đồi để kích thích tim đập chậm hơn Tình trạng này được gọi là nhịp tim chậm
Nhịp tim chậm hơn sẽ hạn chế lưu lượng máu của tĩnh mạch trung tâm, từ đó ngăn ngừa tim gửi máu nghèo oxy vào phổi sẽ gây áp lực lên phổi.Sự giảm lưu lượng máu sẽ bảo vệ nguồn cung cấp oxy trong phổi và máu Sau một khoảng thời gian nhất định dưới nước, phía bên phải của tim gần như có thể ngừng đập; do đó máu không theo tĩnh mạch đến phổi và nhiều oxy sẽ được giữ lại
Đồng thời, phía bên trái của tim bơm máu ít reoxygenated mà nó nhận trực tiếp đến não Máu lần lượt đổ vào tĩnh mạch của nó vào "buồng" chuyên dụng nằm chủ yếu trong gan và trong sự giãn nở rất lớn của các tĩnh mạch chủ, dưới cơ hoành
Trong cá heo, tuần hoàn máu có chọn lọc đến não được thực hiện bởi các kho lộn xộn của máu được gọi là mạng lưới mirabilia Những mạch máu lớn trong cơ thể bao gồm các mạch máu nhỏ méo mó, nằm chủ yếu dưới màng phổi, giữa các xương sườn, và ở hai bên của cột sống Mạng lưới mirabilia giúp giữ sống những khu vực mà nếu không sẽ xấu đi với sự có mặt của máu tĩnh mạch
3.2. Chim
Đại diện: chim cánh cụt
Trang 6Chim cánh cụt có thể lặn lâu dưới nước, vậy nó có hệ hô hấp như thế nào để phù hợp với đời sống kiếm ăn dưới nước như vậy?
Trong sự phát triển sớm, hệ thống hô hấp bắt đầu như một túi thừa, đó là một outpocketing của đường tiêu hóa Một thời gian ngắn sau khi phát triển bề ngoài, đường tiêu hóa và đường hô hấp tách ra riêng biệt Túi thừa hô hấp tạo thành 2 chồi phổi Tại thời điểm này, sự phát triển của phổi con người và chim cánh cụt khá giống nhau Ngay sau đó thì sự phát triển của phổi chim cánh cụt có
sự khác nhau Chim cánh cụt phát triển thêm cơ quan gọi là các túi phế nang
Chim cánh cụt không phải hít thở không khí giống như động vật có vú; do đó nó phải ngoi lên mặt nước trong lúc bơi lội Hơi thở được bắt đầu với sự hít vào Không khí đi vào lỗ mũi, cùng thứ với lỗ mũi hoặc miệng Cách một khoảng ngắn, không khí đi vào phổi qua khí quản Khí quản của chim cánh cụt giống như khí quản của con người Khí quản của chim cánh cụt gồm lớp niêm mạc mỏng, cơ và sụn giống như khí quản của con người Khí quản của chim cánh cụt dưới kính hiển vi: các đỉnh của hình ảnh là túi hay đường ống của khí quản Ngay bên dưới là các biểu mô Biểu mô dày chỉ có một lớp tế bào Bên dưới đó là một số mô và một lớp mỏng các cơ Hình ảnh của 2 lớp hoặc vòng của sụn Sụn là mô bền chắc có đôi khi tạo thành xương
Không khí tiếp tục đi xuống khí quản, nó đi theo hai hướng vào hai lá phổi của chim cánh cụt Với dòng chảy này của không khí nó mang được một lượng lớn khí oxy Để có được oxy vào máu, oxy phải đi vòng một khoảng rất nhỏ của các tế bào máu chim cánh cụt Đây là khi khí oxy đi vào phế quản Các phế quản này là một
mô phổi chuyên biệt trong chim cánh cụt mà không được tìm thấy ở động vật có
vú Đó là bởi vì không khí có tính chu kì liên tục thông qua phổi chim cánh cụt và các túi khí Oxy vào đi dọc theo bề mặt của phế quản và khuếch tán vào các mô sau đó vào máu Tại điểm đó, CO2 theo máu và đi vào bên trong phế quản Dưới đây là hình ảnh về phế quản chim cánh cụt: đây là cách máu được oxy hóa ở chim cánh cụt Nếu bạn nhìn vào bức tranh cuối cùng trong phần này, bạn có thể nhìn thấy một mô hình cơ bản của những luồng không khí như thế nào thông qua hệ thống hô hấp của chim cánh cụt Nó tương tự, nhưng khác nhau, đó là hệ hô hấp rất
riêng của nó Oxy trong hệ thống tim mạch được lấy từ khí quyển, và nó được thực
hiện như vậy bởi phổi hoặc đường hô hấp Không giống như động vật có vú, hệ
Trang 7thống hô hấp của chim cánh cụt có chức năng quan trọng khác hơn là hô hấp và sự
khác biệt chính là lọc máu bằng oxy Sự khác biệt chính giữa hệ thống phổi của
động vật có vú và hệ hô hấp của chim cánh cụt là thiếu một cơ hoành, không khí đi liên tục, và có sự hiện diện của túi khí Ở động vật có vú, cơ hoành là một cơ ngăn cách khoang ngực với khoang bụng Giống như tất cả các cơ bắp, các cơ hoành co Khi cơ hoành co, nó làm phổi "mở" kết quả là mang lại không khí trong lành Khi
cơ hoành giãn, tính chất đàn hồi của phổi "đóng" và không khí được thở ra Quá trình này được gọi là thông khí Trong chim cánh cụt, sự hô hấp xảy ra với sự co bóp các cơ bụng khác nhau mà nén vùng bụng và thư giãn bụng khi ngừng co Con
số trên cho thấy sự phức tạp của hệ thống phổi chim cánh cụt Nếu bạn đã quen thuộc với phổi người, bạn biết có một khí quản, hai cuống chính phế quản và hai
lá phổi Đó là về cơ bản Và bạn ngay lập tức có thể thấy hệ thống phổi chim cánh cụt có một số thành phần khác
Với việc mở rộng bụng, không khí được hút vào khí quản, liên tục từ khoang miệng qua vòm họng và thanh quản Không khí đi qua khí quản sụn Vì nó đi qua khí quản, nó chạy qua một phần phình to gọi là minh quản Các minh quản là phát sinh của khí quản cho phép một con chim cánh cụt phát ra nhiều âm thanh mà bạn nghe giống như tiếng kèn trumpet khi bạn tình chào nhau Các minh quản cũng là các nhánh khí quản, hoặc nơi mà khí quản chia thành hai kênh Mỗi kênh nối minh quản với mỗi phổi Tuy nhiên, không khí đầu tiên vào đường hô hấp trực tiếp chảy vào túi khí phía sau Tất cả điều này xảy ra trong lần hít vào đầu tiên
Khi chim cánh cụt thở ra, không khí nằm trong các túi khí sau chảy vào phổi qua phế quản ở mặt bụng và phế quản ở mặt lưng Khi không khí chảy qua hai phế quản này, nó đi vào thành phế quản nhỏ hơn gọi tiểu phế quản Không giống như
lá phổi của con người, không khí không chỉ dừng lại ở đây; nó chảy trở lại Khi chim cánh cụt hít thở lần thứ hai, tất cả các quá trình trên bắt đầu lại một lần nữa Tuy nhiên, không khí còn lại trong phổi được đẩy ra ngoài hệ thống hô hấp Không khí trong phổi, tiểu phế quản, phế quản ở mặt bụng, và phế quản ở mặt lưng được phân phối đến các túi khí phía trước Tại thời điểm này, các con chim cánh cụt thở ra một thời gian Nhiều cơ bụng và không khí được đẩy trên toàn hệ thống một lần nữa Không khí trong túi khí phía trước được điều chỉnh vào túi khí gian đòn, liên tục với khí quản Dòng không khí ra khỏi khí quản Các chu trình của hô hấp là hoàn thành và nó bắt đầu một lần nữa
Trang 8Phần III: KẾT LUẬN
Phần IV:TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. http://www.asdk12.org/staff/vanarsdale_mark/pages/mrva/marine/Diving_N otes.html
2. https://www.google.com/search?
q=seals+anaerobic+respiration&espv=2&biw=1366&bih=677&source=lnms
&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwiE4vOgke3LAhVTjo4KHTvTBQkQ_A UIBigB#imgrc=NJsp2LqQ88JVEM%3A
3. http://www.sinhhocvietnam.com/forum/showthread.php?t=7806
4. http://schoolnet.org.za/PILAfrica/en/webs/17963/respiratory-system.html
5. http://vi.scribd.com/doc/86857755/Biology-of-Penguins#scribd
6. https://designeranimals.wikispaces.com/Bald+Penguin
7. http://m.vietbao.vn/Khoa-hoc/Thu-bien-tho-bang-phoi-tai-sao-co-the-o-lau-duoi-nuoc/10814369/201/
8.
http://www.bachkhoatrithuc.vn/encyclopedia/731-01-633450737496217500/Dong-vat-co-vu/Dong-vat-co-vu-song-duoi-nuoc.htm
9.