Дыхательная система птиц
☰
Дыхательная система птиц особенная. Это связано с тем, что для полета требуется больше энергии, чем это требуется для хождения по земле и тем более для плавания в толще воды. Чтобы в организме вырабатывалось больше энергии, ему требуется больше кислорода. Следовательно, дыхательная система птиц в процессе эволюции должна была стать очень эффективной, что и произошло. Для птиц характерно так называемое двойное дыхание, когда кислород в легкие поступает и при вдохе и при выдохе. Такое дыхание еще называют непрерывным. Это возможно благодаря тому, что у птиц есть не только легкие, но и легочные мешки. Легочные мешки также называют воздушными мешками.
При вдохе птицы воздух заполняет как легкие, так и задние легочные мешки. Газообмен (то есть проникновение в кровь кислорода и выделение из нее углекислого газа) происходит только в легких. Поэтому на вдохе воздух в задних легочных мешках остается свежим (богатым кислородом).
Как известно, дыхательную систему животных (в том числе и птиц) составляют не только легкие, но и другие органы, в основном играющие вспомогательную функцию. У птиц это гортань, трахея, бронхи. Кроме того у птиц в нижней части трахеи есть нижняя гортань с голосовым аппаратом. Сначала идет верхняя гортань, потом трахея, далее нижняя гортань, от нее отходит один центральный бронх, который ветвится на два (правый и левый). Бронхи заходят в легкие и ветвятся там на мелкие вторичные и третичные.
Сами легкие птиц имеют губчатое строение. Причем эта «губка» достаточно плотная, состоящая в основном из мелких ответвлений бронхов. Стенки вторичных и третичных бронхов содержат густую капиллярную сеть.
Легочные мешки птиц по объему могут в разы превышать легкие.
Это важно не только для процесса дыхания, но и для уменьшения плотности тела, а также для его охлаждения в процессе полета. Энергия выделяется в том числе и в виде тепла. Если бы птицы при этом эффективно не охлаждали тело, то перегрелись бы.
В дыхательной системе птиц обычно воздушных мешков четыре пары и один непарный. Они имеют тонкие стенки, легко растягиваются. Мешки образуются как выросты бронхов. Воздушные мешки лежат среди внутренних органов, между мышцами, и даже заходят в полости трубчатых костей.
Механизм засасывания и выбрасывания воздуха у птиц в полете и в покое (когда они не летят) различается. В покое птицы расширяют и сжимают грудную клетку. В полете расширяются и сжимаются воздушные мешки благодаря движениям мышц крыльев и брюшным мышцам. Грудь птиц в полете остается почти неподвижной и создает опору для крыльев. Когда крылья поднимаются, воздушные мешки растягиваются, когда опускаются, то мешки сжимаются. Таким образом, чем сильнее и чаще птица машет крыльями, тем интенсивнее осуществляется процесс дыхания.
У варанов нашли «двойное дыхание»
Нет нужды говорить, что рыбы и млекопитающие дышат по-разному: одни живут в воде, другие — на суше, и хотя все-все нуждаются в кислороде, дыхательная система у этих существ подстроена под соответствующую среду обитания.
Но если сравнить зверей и птиц, которые живут за счёт кислорода воздуха, то мы и тут обнаружим, что птицы дышат иначе, чем звери (хотя различия не столь велики, как с рыбами). И у птиц, и у млекопитающих есть лёгкие, и, казалось бы, дыхание должно происходить по известной схеме: вдохнули свежий воздух — насытили кровь кислородом — выдохнули использованный воздух. Однако у птиц насыщение крови кислородом происходит как на вдохе, так и на выдохе — за счёт воздушных мешков, соединённых с бронхами и заполняющихся воздухом при вдохе. В этих воздушных мешках воздух сохраняется до выдоха, а потом идёт обратно тем же путём, через лёгкие, где отдаёт кислород в кровь.
Разумеется, биологов всегда интересовало, как птицы получили такое дыхание — досталось ли оно им в наследство от предков или же это позднейшее приобретение, понадобившееся для полётов. В 2010 году Коллин Фармер (Colleen Farmer) и её коллеги из Ютского университета (США) обнаружили нечто подобное у аллигаторов и других крокодилов. То есть, возможно, эта способность была и у более древних рептилий. Однако лёгкие крокодилов отчасти напоминают лёгкие птиц, так что наличие у них «постоянного» дыхания в каком-то смысле можно было предугадать.
Но вот в своей новой статье, появившейся в Nature, исследователи сообщают, что двойным дыханием пользуются также степные вараны. Это не было бы такой уж новостью, если бы не один факт: лёгкие варанов приспособлены к самому обычному перемежающемуся дыханию. Но это лишь на первый взгляд: с помощью компьютерной томографии удалось выяснить, что лёгкие варанов состоят из большой камеры, от которой отходят более мелкие и вытянутые полости, расположенные параллельно друг другу.
Наполнив лёгкие водой со специальными частицами, за перемещениями которых можно было наблюдать, биологи увидели, что жидкость в большой камере перемещается туда и обратно, а в малых вытянутых движется действительно только в одном направлении. Результаты подтвердились, когда к нескольким живым рептилиям вживили специальные датчики, отслеживавшие поток воздуха в лёгких.
Благодаря такой системе камер с однонаправленным током воздуха в лёгких варанов поглощение кислорода может осуществляться без перерыва на выдох — хотя в данном случае это достигается с помощью иной анатомической уловки, нежели у птиц. То, что двойное дыхание нашли у варанов, указывает на древность этого феномена: таким дыханием могли пользоваться ещё предки современных змей и ящериц, не говоря уже о птицах. Возможно, птицы действительно унаследовали принцип двойного дыхания от предков-рептилий; впрочем, нельзя исключать и того, что этот «скилл» мог появляться независимо у разных групп животных.
В дальнейшем авторы работы собираются пристальнее исследовать другие группы пресмыкающихся в надежде обнаружить признаки двойного дыхания или хотя бы того, что оно было у них в прошлом. Тот факт, что у обычных ящериц, к примеру, ничего такого до сих пор не находили, учёных не смущает: по их словам, этот феномен вообще трудно заметить, если специально на нём не сосредотачиваться, и случай с варанами хороший тому пример.
Что же до того, зачем древним рептилиям понадобилось такое дыхание, то авторы работы объясняют это следующим образом. В те времена кислорода на Земле было не так уж много (в раннем триасе — 12% воздуха, а сейчас — 21%). И чтобы нормально двигаться, охотиться и т. д., древним рептилиям нужно было как-то усовершенствовать способ добычи кислорода. Что они и сделали. И вообще, возможно, знаменитый расцвет рептилий на Земле начался благодаря именно такому способу дыхания…
Источник: science.compulenta.ru
| Ваше имя * | |
| Контактный e-mail (не будет показан) | |
| Комментарий * | |
| Дважды два равно? впишите ответ цифрой! | |
|
Нажимая кнопку «Оставить комментарий», я подтверждаю свою дееспособность и даю согласие на обработку моих персональных данных в соответствии с информацией о конфиденциальности данных. |
|
Поля, отмеченные знаком *, обязательны для заполнения.
Все новости
Увлекательная механика дыхания птиц
Птицы — очень активные животные и постоянно расходуют много энергии, но видели ли вы когда-нибудь запыхавшихся? Мы смотрим на то, как невероятным образом птицам удается оставаться такими занятыми, не валясь в обессиленной куче.
Если вы когда-либо наблюдали за птицей более нескольких минут, вы, вероятно, довольно быстро заметите, что они никогда не остаются на месте , особенно когда вы пытаетесь найти их с помощью бинокль или сфотографируйте их . Они постоянно в движении, будь то из-за опасности, погони во время брачного сезона или просто поиска источника пищи , и эта бесконечная деятельность требует много энергии .
Все птицы предпочитают продукты, богатые белками и жирами , чтобы удовлетворить эти высокие скорости метаболизма, но их дыхательная система также должна быть высокоэффективной, чтобы удовлетворять эти огромные потребности в кислороде.
Когда млекопитающих дышат, пластинка мышц, называемая диафрагмой , помогает им вдыхать и выдыхать воздух в легкие и из них. Легкие у человека занимают почти всю грудную полость, и наши грудные клетки выталкиваются в сторону, когда мы вдыхаем, и расслабляются, возвращаясь на место, когда мы выдыхаем.
Птицы, с другой стороны, не имеют диафрагмы , и вместо этого воздух входит и выходит из тела с помощью специальных мышц прикрепляется к грудной клетке и грудине, перемещая их вниз и вперед при вдохе, а затем вверх и назад при выдохе.
Это создает движение расширения/сжатия , которое помогает с еще более сложной системой воздушного потока внутри грудной полости, к которой мы скоро подойдем.
Их дыхательная система также должна быть высокоэффективной, чтобы удовлетворять огромные потребности в кислороде.
Итак, как и мы, птицы вдыхают воздух через рот и ноздри через трубку, называемую трахеей , , но после этого все подобия заканчиваются. Человеческие легкие представляют собой два больших мешочка , которые затем содержат меньшие воздушные мешочки, называемые альвеолами , которые группируются вокруг трубок, называемых бронхами , что немного похоже на грозди винограда на лозе.
Воздух, поступающий в наши тела, проходит вниз по трахее и затем в альвеолы или воздушные мешочки через бронхи, и именно там, в воздушных альвеолах, происходит газообмен кислорода и углекислого газа происходит путем осмоса .
Насыщенный живительный кислород извлекается из воздуха в нашу кровь и ткани, а потенциально смертельный побочный продукт углекислый газ выталкивается в уже старый воздух, лишенный кислорода, который мы затем выдыхаем, вытесняя вредный углекислый газ обратно выйти в атмосферу.
Этот двунаправленный поток внутрь и наружу называется двунаправленным потоком , и все млекопитающие дышат этим способом. Важно отметить, что воздух, вдыхаемый в альвеолы, становится остаточным и несвежим после того, как уходит кислород, и теперь он наполнен углекислым газом, который мы затем снова выдыхаем тем же способом, на мгновение лишая себя кислорода при выдохе. Таким образом, двунаправленный поток воздуха на самом деле довольно неэффективен.
Энергия y, необходимая птицам, чтобы оставаться в полете, феноменальна, поэтому крайне важно, чтобы между поступлением кислорода и выделением углекислого газа не было временного промежутка .
Таким образом, дыхательная система птиц превратилась в выдающийся механизм эффективности. Вместо двух больших легких, содержащих воздушные мешки, у птиц относительно маленьких легких , окруженных девять воздушных мешков , расположенных около снаружи легких .
Воздушные мешки очень тонкостенные и не имеют ничего общего с газообменом как у нас. Вместо этого эти воздушные мешки действуют как мехов , направляющих поток воздуха. Обмен жизненно важным кислородом и отработанным углекислым газом на самом деле происходит в капиллярах , которые покрывают снаружи крошечные воздушные проходы, называемые парабронхами, которые находятся внутри небольших легких, а не в воздушных мешочках.
Дыхательная система птиц превратилась в выдающийся механизм эффективности.Предоставлено Cruithne9, Wikimedia Commons
Предоставлено Wikimedia Commons у птицы у основания шеи, впереди легких.
Эта разница в размерах и расположении воздушных мешков в теле птицы обеспечивает основу для этой необычайно эффективной дыхательной системы.
Представьте, что птица делает первый вдох. Свежий насыщенный кислородом воздух поступает в трахею, и с помощью грудной клетки и мышц грудины задние воздушные мешки вытягиваются наружу птица в эти большие мешочки , надувая их .
Когда птица затем выдыхает , мышцы сокращаются, делая больших мешочков меньше, , который снова выталкивает воздух из , но на этот раз в легкие .
Из-за высокого давления воздух затем проходит через крошечные парабронхи, и кислород поглощается телом , а углекислый газ затем вытягивается в уже «застоявшийся» воздух. Затем птица делает второй вдох в : в то время как больше свежего воздуха устремляется в задние мешки, как и раньше, застоявшийся воздух в легких затем втягивается в меньшие передние мешки, которые затем раздуваются этим плохим воздухом.
Когда птица затем выдыхает во второй раз , мышцы сжимают передние мешки, выталкивая спертый воздух через трахею наружу. Помните, что в то же время насыщенный кислородом воздух, поступивший при втором вдохе, теперь снова втягивается из задних мешков в легкие и идет дальше.
Это означает, что не только птицы на самом деле делают два вдоха, чтобы завершить «цикл» дыхания, это также означает, что существует только одно направление воздуха через легкие: внутрь сзади и наружу спереди, вместо входа и выхода той же системы, что и у млекопитающих. Именно этот однонаправленный поток означает, что птицам никогда не хватает кислорода.
Возможно, вы видели птицу, выглядящую так, будто она запыхалась, но это, вероятно, было в жаркую погоду — хотя они не могут дышать, как собаки, они открывают рот, чтобы охладиться вниз. Но будьте уверены, их удивительные легкие работают на полную мощность, поддерживая постоянный аэробный цикл: так же легко, как дышать.
Как воздушные мешочки питают легкие в дыхательной системе птиц — Биологическая стратегия — AskNature
Биологическая стратегия
Как воздушные мешки питают легкие в дыхательной системе птиц
Птицы
Команда AskNature
Изображение: Бенуа Гаузер / CC BY — только ссылка на Creative Commons Attribution
Хранение газов
Живые системы иногда хранят газы, такие как кислород, для обеспечения максимального дыхания или для множества других целей.
Распределение газов
Газы, имеющие особое значение для живых систем, это кислород, двуокись углерода и азот. Кислород и углекислый газ участвуют в дыхании, поэтому эффективное и действенное распределение этих газов важно для выживания живой системы. Однако газы трудно удерживать, потому что они легко рассеиваются. Чтобы приспособиться к этому, у живых систем есть стратегии удержания газов и использования свойств газов в своих интересах. Например, луговые собачки и термиты, строящие насыпи, строят системы туннелей и насыпей, которые используют ветер для вентиляции своих подземных жилищ.
Выделение газов
Наиболее известные формы выделения газов — это дыхание, когда многие живые системы выделяют углекислый газ, а растения выделяют кислород как конечный продукт фотосинтеза растений.
Поскольку газы нельзя эффективно перемещать толканием, для их вытеснения требуется сила другого рода. Для создания этой силы требуется энергия, даже на клеточном уровне, поэтому живые системы должны иметь эффективные стратегии, оправдывающие затраты энергии или использование внешней силы. Обычно это влечет за собой стратегии, которые создают давление или используют другие силы для продвижения газов. Например, за один вдох человек выдыхает около 15 % отработанного воздуха. Напротив, когда кит всплывает на поверхность, он выдыхает 90% израсходованного воздуха всего за одно извержение.
Оптимизация формы/материалов
Ресурсы ограничены, и простое действие по их сохранению требует ресурсов, особенно энергии. Живые системы должны постоянно уравновешивать ценность получаемых ресурсов со стоимостью затрачиваемых ресурсов; невыполнение этого требования может привести к смерти или препятствовать размножению. Таким образом, живые системы оптимизируют, а не максимизируют использование ресурсов.
Оптимизация формы в конечном счете оптимизирует материалы и энергию. Пример такой оптимизации можно увидеть в форме тела дельфина. Его обтекаемость снижает сопротивление в воде благодаря оптимальному соотношению длины и диаметра, а также плоским элементам на поверхности, снижающим турбулентность.
Птицы
Класс Aves («птицы»): орлы, ястребы, воробьи, попугаи
Птицы — это чудо инженерной мысли. Они произошли от динозавров, но далеки от нашего представления о тяжелых чешуйчатых рептилиях. Из конкретных приспособлений, которые отличают их друг от друга, наиболее заметным является полет: хотя некоторые млекопитающие могут летать, птицы получают награду за изобилие в небе. Многие птицы имеют полые, легкие скелеты и специально разработанные крылья, которые помогают им оставаться в воздухе. У них также есть перья из кератина, которые помогают им сохранять тепло, привлекать партнеров и улучшают навигацию и аэродинамику в полете. В отличие от своих предков-динозавров, у них отсутствуют настоящие зубы, и они заменены специализированными клювами и клювами.
Печатные издания Biological Strategy
Если вам нужна автономная версия контента AskNature, эти страницы вам помогут.
Посмотреть ресурс
Дыхательная система птиц способствует эффективному обмену углекислого газа и кислорода за счет использования воздушных мешков для поддержания непрерывного однонаправленного потока воздуха через легкие.
Стратегия
Дыхательная система птиц заметно отличается от дыхательной системы млекопитающих как по своей структуре, так и по способности газообмена максимально эффективно.
Он состоит из парных легких, содержащих неподвижные структуры с поверхностями для газообмена, и связанных воздушных мешков, которые расширяются и сжимаются, заставляя воздух проходить через неподвижные легкие. Вдох богатого кислородом вдыхаемого воздуха остается в дыхательной системе в течение двух полных циклов вдоха и выдоха, прежде чем он полностью израсходуется и выдыхается из организма.
Когда свежий воздух впервые вдыхается через ноздри (ноздри) птицы, он проходит через трахею (большую трубку, отходящую от глотки), которая разделяется на левый и правый первичные бронхи (называемые «мезобронхами», причем каждый бронх ведет к легкое).
Вдыхаемый воздух проходит по каждому первичному бронху, а затем разделяется: часть воздуха поступает в легкие, где происходит газообмен, а оставшийся воздух заполняет задние (задние) воздушные мешки. Затем при первом выдохе свежий воздух из задних мешков поступает в легкие и подвергается газообмену. Отработанный воздух в легких вытесняется этим поступающим воздухом и выходит из организма через трахею. При втором вдохе свежий воздух снова поступает как в задние мешки, так и в легкие. Отработанный воздух в легких снова вытесняется поступающим воздухом, но выйти через трахею он не может, так как внутрь поступает свежий воздух. Вместо этого отработанный воздух из легких поступает в передние (передние) воздушные мешки. Затем при втором выдохе отработанный воздух в передних мешках и в легких вытекает через трахею, а свежий воздух в задних мешках поступает в легкие для газообмена.
Эта схема прохождения воздуха через дыхательную систему создает однонаправленный (односторонний) поток свежего воздуха над поверхностями газообмена в легких.
Кроме того, свежий воздух проходит через поверхности газообмена как во время вдоха, так и при выдохе, что приводит к постоянному притоку свежего воздуха, что позволяет птице испытывать почти непрерывный газообмен в легких. Это контрастирует с легкими млекопитающих, которые испытывают двунаправленный (двусторонний) поток воздуха над поверхностью газообмена.
Эффективность дыхательной системы птиц частично обусловлена ее однонаправленным характером и частично структурой ее парабронхиальной системы (меньшие проходы в легких). Воздушные капилляры в стенках парабронхиальной системы имеют гораздо большую общую площадь поверхности, чем в дыхательной системе млекопитающих. Большая площадь поверхности позволяет большей части кислорода от каждого вдоха обмениваться на углекислый газ из крови и тканей.
В этом обзоре представлены материалы, предоставленные Алексом Урихом.
Скачать стратегию PDF
Поиск
Задайте природе еще один вопрос
Последнее обновление 2 июля 2020 г.
Ссылки
«Легкие птиц уникальны тем, что воздух течет только в одном направлении, а не внутрь и наружу, как у других позвоночных. Как птицы контролируют воздух, чтобы он проходил через их легкие, когда они могут вдыхать и выдыхать только через одну трахею? Решение представляет собой удивительное сочетание уникальных анатомических особенностей и управления потоком воздуха. Легкие дополняются сложной системой взаимосвязанных воздушных мешков, которой нет у млекопитающих… Большинство птиц вдыхают воздух через ноздри, или носовые ходы, у основания клюва… Вдыхаемый воздух движется далее по трахее, или дыхательному горлу, которое делится на два бронха. и, в свою очередь, на множество подразделяющихся стволов и ветвей в каждом легком… Большая часть легочной ткани состоит примерно из 1800 более мелких взаимосвязанных третичных бронхов. Эти бронхи ведут в крошечные воздушные капилляры, которые переплетаются с кровеносными капиллярами, где происходит газообмен.
«Вдыхаемый воздух проходит через два дыхательных цикла, которые вместе состоят из четырех стадий. Большая часть воздуха, вдыхаемого на этапе 1, проходит через первичные бронхи в задние воздушные мешки… На этапе 2, фазе выдоха этого первого вдоха, вдыхаемый воздух перемещается из задних дыхательных мешков в легкие. Там происходит обмен кислорода и углекислого газа (CO2) по мере того, как вдыхаемый воздух проходит через воздушно-капиллярную систему. В следующий раз, когда птица вдыхает, шаг 3, обедненный кислородом воздух перемещается из легких в передние воздушные мешки. Второй и последний выдох, этап 4, выбрасывает воздух, богатый СО2, из передних дыхательных путей, бронхов и трахеи обратно в атмосферу.
«Эта серия из четырех шагов максимально увеличивает контакт свежего воздуха с дыхательными поверхностями легких. Самое главное, птица заменяет почти весь воздух в своих легких с каждым вдохом. Во время вентиляционного цикла у птиц в легких не остается остаточного воздуха, как у млекопитающих.
Leave A Comment