Чем дышат наземные беспозвоночные
Эволюция дыхательной системы беспозвоночных и позвоночных животных.
Онлайн-конференция
«Современная профориентация педагогов
и родителей, перспективы рынка труда
и особенности личности подростка»
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Дополнительный материал для урока
Эволюция дыхательной системы беспозвоночных животных .
У низших беспозвоночных животных (кишечнополостные, плоские и круглые черви) специальные органы дыхания отсутствуют, газообмен между такими организмами и окружающей средой осуществляется через всю поверхность тела, то есть диффузно. У эндопаразитов вышеперечисленных животных (это в первую очередь относится к червям) дыхание происходит с помощью анаэробного брожения, то есть гликолиза.
Так, у ракообразных имеются жабры, которые расположены на ножках и ногочелюстях под боковыми складками головогрудного щита, где постоянно омываются водой.
У насекомых дыхание осуществляется с помощью трахей.
У многих членистоногих, имеющих тонкий хитиновый покров и относительно большую поверхность тела, наблюдается и диффузное дыхание.
У моллюсков в основном органами дыхания являются жабры за исключением наземных моллюсков, например, некоторых брюхоногих, которые утратили жабры, а их мантийная полость превратилась в легкое.
У многих беспозвоночных животных имеются приспособления, увеличивающие, дыхательную поверхность в виде местных специализированных органов дыхания.
Эволюция дыхательной системы у хордовых животных .
Дыхательная система всех хордовых животных и по происхождению, и топографически связана с энтодермой.
У водных хордовых функцию дыхания выполняют жаберные щели, пронизывающие передний отдел кишечной трубки-глотки. У наземных хордовых жаберные щели закрываются во время эмбрионального развития, а затем исчезают. Функцию дыхания выполняют легкие, образующиеся из выпячивания кишечной трубки. Эволюция жаберного аппарата у хордовых выражалось в уменьшении числа жаберных щелей при одновременном увеличении дыхательной поверхности путём образования жаберных лепестков.
Эволюция лёгких шла в направлении обособления дыхательных путей и увеличения дыхательной поверхности путем образования легких губчатого строения со сложной системой разветвления внутриклеточных бронхов, заканчивающихся пузырьками с ячеистыми клетками.
Наиболее примитивна дыхательная система у ланцетника, относящегося к низшим хордовым (подтип Бесчерепные). Передний отдел кишечника (стенка глотки) пронизан жаберными щелями (до150 пар), которые открываются в артериальную (околожаберную) полость.
У круглоротых (подтип Позвоночные) органами дыхания являются также жаберные щели, но их уже меньше (5-15 пар). Они сообщаются с передним отделом кишечника и открываются наружу самостоятельными отверстьями.
Настоящие жабры появляются среди хордовых у рыб. Они представляют собой тонкие складки слизистой оболочки глотки, лежащие на жаберных дугах и снабжаемые венозной кровью через жаберные артерии, распадающиеся здесь на капилляры. У рыб имеется 4-7 (чаще5) жаберных мешков между жаберными дужками. Тычинки, расположенные на выпуклой поверхности жаберных дужек, препятствуют попаданию пищи из глотки в жабры.
Помимо жабр у рыб имеются добавочные органы дыхания, позволяющие им использовать кислород воздуха. Таким органом у рыб является плавательный пузырь. Стенки его богаты кровеносными сосудами, поэтому у некоторых зарывающихся в ил рыб он может служить для газообмена. Плавательный пузырь у большинства рыб развивается из дорзальных участков глотки и не является гомологом легких. Только у кистеперых рыб плавательный пузырь образуется как выпячивание вентральной части глотки и служит гомологом легких наземных животных, так как легкие позвоночных развиваются из брюшной части жаберного мешка.
У двоякодышащих рыб лёгкие есть, а плавательный пузырь отсутствует.
У личинок амфибий, как и у рыб, органы дыхания представлены древовидно ветвящимися наружными жабрами. У большинства взрослых амфибий появляются лёгкие в виде тонкостенных парных выростов брюшной глотки позади последнего жаберного мешка. В связи с отсутствием грудной клетки и диафрагмы воздух в них попадает из ротовой полости за счет глотательных движений, осуществляющихся подбородочно-подъязычной мышцей. Материал жаберных дуг, следующий за подъязычной дугой, частично входит в состав хрящей гортани, которая появляется впервые у земноводных, являясь первым органом, относящимся к нижним дыхательным путям. Лёгкие начинаются непосредственно от гортани. Они крупноячеисты и имеют малую дыхательную поверхность, в связи с чем, газообмен в большей степени осуществляется через кожные покровы, которые пронизаны большим количеством кровеносных капилляров и снабжены слизистыми железами.
Механизм дыхания осуществляется за счет сокращения межреберных мышц, приводящих в движение грудную клетку.
У птиц легкие представляют собой плотно-губчатые тела пронизанные разветвлениями бронхов, а не мешки, как у рептилий. Кроме того, они дополняются в качестве резервуара для воздуха тонкостенными воздушными мешками. Последние располагаются между всеми воздушными органами, между мышцами, в полости кости и под костью.
При подъеме крыльев воздушные мешки через легкие наполняются воздухом, при опускании крыльев воздух через легкие выходит наружу. Таким образом, во время полета у птиц осуществляется двойное дыхание. Во время покоя птица дышит лишь путем расширения и сужения грудной клетки.
В нижней гортани помещается голосовой аппарат, обладающий сложной мускулатурой.
Чем дышат наземные беспозвоночные
Водные беспозвоночные. Обитатели водной среды — колыбели жизни на нашей планете — получают растворенный кислород непосредственно из воды, в воду же отдают углекислый газ, образующийся в ходе биологического окисления. Прямое дыхание свойственно одноклеточным — простейшим (как, впрочем, и некоторым многоклеточным организмам, например личинкам насекомых). Диффузия респираторных газов через всю поверхность тела присуща губкам, плоским червям.
Конвективный перенос газов появляется у иглокожих; у них наблюдается побуждаемый движением ресничек ток жидкости (где и растворяются газы) через полемическую полость. Здесь функция дыхания еще не отделена от питания и выделения.
В процессе дальнейшего развития «внешний» конвективный транспорт газов дополняется «внутренним»: возникает кровеносная система. Впервые замкнутый контур циркуляции появляется у немертин: их кровь уже содержит химический переносчик кислорода — гемоглобин. Вообще же в кислородном транспорте участвуют различные пигменты (хлоркруорины, гемеретрины, гемоцианины и гемоглобины), встречающиеся у некоторых представителей ряда типов животных: круглых, плоских и кольчатых червей, моллюсков, иглокожих, членистоногих.
Наземные беспозвоночные. Первые воздуходышащие многоклеточные появились в силурийский период. Выходу животных на сушу способствовало в числе прочих факторов обеднение водоемов кислородом при одновременном увеличении в атмосфере его парциального давления, которое в то время (около 450 млн. лет назад) было существенно ниже нынешнего. Молекулярный кислород в воздушной среде значительно доступнее, нежели в водной: скорость диффузии O 2 в воздухе примерно в 300 тыс. раз выше, чем в воде. Правда, поглощение этого газа организмом обязательно проходит стадию растворения в жидкости, покрывающей газообменные поверхности. Этот принцип сохраняется на всех этапах эволюции.
Первый из «сухопутных» типов дыхания встречается у кольчатых червей. Он осуществляется без посредства каких—либо респираторных органов. Газообмен происходит через увлажненный кожный покров, состоящий из однослойного эпителия и обильно снабженный кровеносными сосудами. Мышечные сокращения активно проталкивают кровь, содержащую гемоглобин, в глубокие ткани.
Другой тип обмена газов со средой отмечается у брюхоногих моллюсков. Здесь появляются уже специализированные органы дыхания — примитивные жабры в виде постоянно увлажненных лепестков либо мантийная полость, открывающаяся наружу отверстиями — пневмостомами. Незамкнутая кровеносная система обеспечивает с участием гемоглобина перенос кислорода к тканям.
Разнообразные формы дыхания встречаются у членистоногих. Предки этих животных обитали в воде, а многие (большая часть ракообразных) так и остались воднодышащими. С переходом на сушу листовидные жабры, связанные с конечностями, были преобразованы в мешковидные структуры, так называемые диффузионные легкие. Кислород из этих легких доставляется тканям через незамкнутую кровеносную систему с током гемолимфы, проталкиваемой трубчатым сердцем. Но у большинства членистоногих сформировались совсем новые органы дыхания — трахеи, проникающие глубоко в тело животного. Именно трахейный способ обмена газов характерен для насекомых.
Рис. 10.2 Трахейная система насекомого
1 — трахеи, ведущие к крыльям, 2 — дыхальца, 3 — трахеальные стволы.
Рис. 10.3 Парциальные давления О2, СО2 и N2, а также суммарное давление (Р) в пузырьке, захваченном водным насекомым при нырянии
А— состояние в начале погружения, Б — после быстрого погружения на глубину 1 м, В — состояние на той же глубине спустя некоторое время. Стрелками показано движение молекул газа.
Развитие системы трахей у насекомых было обусловлено, с одной стороны, наличием хитинового покрова, а с другой — очень высокими в расчете на единицу массы тела энерготратами и, следовательно, интенсивным потреблением кислорода (в полете оно увеличивается в десятки, а то и в сотни раз). Дыхательная система насекомого (рис. 10.2) сообщается с наружным воздухом посредством дыхалец (стигм). Каждое дыхальце ведет в полость и далее в широко ветвящиеся трубочки, трахеи, делящиеся в основном в соответствии с сегментами тела. Это ветвление завершают узкие короткие трахеолы, которые достигают клеточных мембран или даже проникают внутрь клеток до митохондрий.
Основным механизмом трахейного дыхания служит диффузия газов, поддерживаемая разностью парциальных давлений между клетками и атмосферой. Кроме того, транспорт респираторных газов обеспечивается конвективными потоками, хотя и весьма непостоянными. Движение воздуха в трахеях вызывается ритмическими сокращениями туловища, которые управляются центрами, расположенными в ряде ганглиев нервной системы насекомого. Ритмические изменения объема груди в полете тоже содействуют вентиляции трахейной системы. Помимо того, дыхание регулируется в зависимости от потребностей тканей в кислороде открытием и закрытием дыхалец, а также активным перемещением кончиков трахеол и содержащейся в них жидкости — плазмы гемолимфы (сама гемолимфа существенной роли в газообмене не играет).
Трахейное дыхание позволяет насекомому приспосабливаться к самым различным условиям жизни. Вместе с тем лежащий в основе данного типа газообмена механизм диффузионного транспорта ограничивает расстояние, на которое переносится кислород. Это одна из причин, препятствующих представителям самого многочисленного класса животных достичь сколько—нибудь значительных размеров.
Некоторые водные насекомые (например, личинки москитов) дышат через водоотталкивающий сифон, выходящий из воды. Многие же при погружении захватывают с собой пузырьки воздуха. Так, жук — окаймленный плавунец ( Dytiscus marginalise ныряет с пузырьками воздуха под крыльями или у заднего конца брюшка (рис. 10.3). При погружении насекомого происходит обмен газами между пузырьком и тканями через трахейную систему. Помимо того, может происходить обмен газами между пузырьком и водой, причем скорость этого процесса зависит от градиентов парциальных давлений (напряжений) газов и площади поверхности раздела «вода—воздух».
Как дышат водные беспозвоночные
Весь животный мир, изучаемый и систематизируемый в рамках зоологических наук, принято делить на зоологию беспозвоночных и зоологию позвоночных животных (хордовых). Термин “беспозвоночные” ввел Ж. Б. Ламарк для обозначения животных, не относящихся к хордовым. Любое животное, не имеющее позвоночника, относится к беспозвоночным.
У беспозвоночных отсутствует костный скелет, но у многих имеется внешний жесткий, раковинообразный панцирь.
В своем подводном мире водные беспозвоночные должны быть в состоянии перемещаться как в текущей воде, так и по субстрату (дну ручья). Многие из них встречаются на перекатах (участках с бурно текущими вспененными водами), прикрепившимися к камням с помощью различных приспособлений-присосок. Организмы, встречающиеся на плесах (местах с ровным течением), могут иметь плоскую форму, защищающую их от возможности быть смытыми вниз по течению. В заводях с медленно текущими водами многие организмы научились зарываться в донные осадки или строить массивные домики для защиты от хищников. Помимо перемещения в воде, водные беспозвоночные нуждаются также в том, чтобы добывать кислород из воды.
Как же они добывают кислород из воды? Как дышат водные беспозвоночные?
Малая ложноконская пиявка, пиявка рыбья, пиявка медицинская.
Относятся к типу кольчатые черви. Они часто встречаются в пресных водах, в стоячих и в текущих водоемах. В особенности часто пиявок можно найти в водоемах, поросших листьями кувшинки.
Дышит пиявка, всею поверхностью своего тела, облегчая смену воды вокруг своего тела характерными колебательными движениями, которые производит в воде, уцепившись присоской за какой-нибудь подводный предмет.
Дыхание пиявки совершается через ее тонкую кожу, обильно снабженную кровеносными сосудами. Каких-либо специальных органов дыхания у нее не имеется.
Пиявка рыбья Пиявка медицинская
Прудовик принадлежит к моллюскам, к классу брюхоногих, к отряду легочных моллюсков, к семейству прудовиков. Самый крупный из наших прудовиков — обыкновенный прудовик. Прудовики очень часто встречаются в пресноводных водоемах.
Прудовик принадлежит к легочным моллюскам и дышит атмосферным воздухом. Поднимаясь на поверхность воды, прудовик открывает свое дыхательное отверстие, которое находится сбоку тела, близ края раковины. В спокойном состоянии это отверстие замкнуто мускулистым краем мантии. Воздух втягивается в обширную легочную целость, стенки которой образованы мантией, пронизанной богатой сетью кровеносных сосудов. Обмен газов происходит через тонкую стенку мантии, при этом мантийная полость играет роль легкого.
Прудовик может пробыть под водой, не освежая воздуха своей легочной полости, очень долгое время. Это объясняется тем, что замкнутый в легочной полости воздух используется при дыхании очень совершенно, причем кислород воздуха постепенно замещается углекислотой.
Катушки принадлежат к классу брюхоногих моллюсков, к отряду легочных, к семейству катушек.
Дышат катушки атмосферным воздухом, вбирая его в легочную полость, образованную стенками мантии. Дыхательное отверстие, ведущее в указанную полость, открывается сбоку тела, близ края раковины. Оно открывается, когда катушка поднимается на поверхность воды за запасом воздуха. При недостатке воздуха катушка пользуется особым кожистым выростом, который помещается на теле близ легочного отверстия и играет роль примитивной жабры. Кроме того, катушка, по всей вероятности, дышит и непосредственно через кожу.
Лужанки принадлежат к классу брюхоногих моллюсков, к отряду переднежаберных, к семейству лужанок. И лужанки и битинии- обыкновенные обитательницы наших водоемов. Лужанки обычно обитают в водоемах с илистым дном, иногда сплошь усеивая его. И лужанка и битиния всегда держатся на дне водоема и не всплывают на поверхность, подобно прудовикам и, катушкам. При опасности они замыкают раковину крышечкой, которая служит им превосходным заградительным щитком.
В отличие от прудовика и катушки, лужанка и битиния принадлежат к жаберным, которые извлекают кислород из воды при помощи жаберного аппарата, скрытого под раковиной. У лужанки имеется хорошо развитая гребневидная жабра с многочисленными жаберными выростами, которые несколько напоминают жабры рыб. Благодаря водному дыханию лужанки и битинии очень чувствительны к качеству воды и при неблагоприятных условиях погибают гораздо скорее, чем прудовики и катушки.
Янтарка обыкновенная относится к классу брюхоногие моллюски, отряду улиток. Она обитает в сырых местах- на влажных лугах, возле водоемов, часто ее можно видеть на плавающих листьях водных растений, а иногда она даже погружается в воду. Очень интересно видеть улиток подвешенных снизу к поверхности воды.
Предполагают, что двигающиеся таким образом янтарные улитки пользуются поверхностным натяжением жидкости, подвешиваясь снизу к той упругой пленке, которая имеется на поверхности воды благодаря натяжению.
Если ползущую таким образом улитку слегка толкнуть, чтобы она погрузилась в воду, то видно, что животное снова, как пробка, всплывает на поверхность. Это явление объясняется тем, что внутри дыхательной полости животного имеется воздух, который поддерживает улитку наподобие плавательного пузыря. Улитка может произвольно сжимать свою дыхательную полость: тогда моллюск становится удельно тяжелее и опускается на дно. Наоборот, при расширении полости улитка без всякого толчка по вертикальной линии всплывает на поверхность.
Перловица и беззубка.
Перловицы и беззубки относятся к классу двустворчатые моллюски, к семейству дрейссены. Дыхание у них жаберное, кислород получают из воды омывающей жабры.
Водяной ослик, дафнии, бокоплавы.
Дыхание осликов легко наблюдать на экскурсии, посадив животное в стаканчик с водой. Невооруженным глазом отлично видно колебательное движение тонких жаберных пластинок под брюшком, в задней части тела. Жаберные пластинки это задние пары ног, преобразованные в дыхательный аппарат. Каждая ножка состоит из двух лопастей: верхняя, более нежная, служит для обмена газов, нижняя, более прочная, образует защитную крышечку.
Дафнии, или водные блохи, относятся к низшим ракообразным, а именно к ветвистоусым рачкам в отряде листоногих.
Водных блох можно встретить в самых разнообразных водоемах, но в особенности они изобилуют в небольших прудах, лужах, канавах, наполненных водою ямах, где иногда размножаются в огромных количествах, так что окрашивают воду в красноватый цвет. Дыхание жаберное. Жабры помещаются у основания грудных ножек в виде небольших мешочков. Видеть их можно только в микроскоп.
Дышат бокоплавы, как и многие другие ракообразные, жабрами.
Жаберные пластинки, пронизанные тончайшими сосудами, располагаются у них на грудных ножках.
Представитель типа членистоногие, отряда пауки, семейства пауки-сеточники.
Живет в воде. Как и водные насекомые не может жить без воздуха. Поднимаясь к поверхности воды, он выставляет из воды кончик брюшка и обновляет запас воздуха в легочных мешках. При погружении в воду на не смачивающихся волосках брюшка удерживается слой воздуха, и брюшко выглядит блестящим, отсюда и название: паук-серебрянка. Этим воздухом он и дышит. Из воздушных пузырьков приносимых с поверхности он устраивает подводный воздушный колокол на растениях, которых являются его убежищем. Воздух в колоколе удерживается густым сплетением из паутины. Колокол бывает с наперсток. В колоколе помещается яйцевой кокон, держится молодь, происходит линька и зимуют взрослые пауки.
Водные клещи относятся к классу паукообразных, к отряду клещей. Эти животные отличаются широким распространением и населяют разнообразные водоемы. Встречаются они и в больших водоемах и в самых мелких. Чаще всего их можно найти в прудах, густо заросших растительностью.
Дыхание у водных клещей происходит непосредственно через кожу.
Водные клопы: гладыш, гребляк, плавт, водяной скорпион.
Гладыш относится к отряду клопов, принадлежа к семейству гладышей. Часто встречается как в стоячих, так и в медленно текущих водах, плавает вверх брюшком.
Дыхание гладыша можно наблюдать в то время, когда он висит у поверхности воды. При этом задний конец брюшка, несущий дыхательные отверстия (стигмы), наклонно выставляется из воды. Ныряя, гладыш увлекает с собой под воду запас воздуха, который облекает его сплошным блестящим покровом и уменьшает его удельный вес.
Дыхательное отверстие окружено тремя хитиновыми пластинками темного цвета, из которых средняя неподвижна, а две боковые могут закрываться и открываться. Когда гладыш набирает воздух, эти крошечные дверцы открыты, при нырянии они плотно сомкнуты.
Гребляк относится к отряду клопов, к семейству кориксид.
Гребляки держатся в стоячих или слабо текущих водоемах и часто встречаются в большом количестве. Они ведут деятельный образ жизни и зимой, поэтому нередко попадаются при лове через прорубь.
Дышат гребляки, подобно остальным клопам, атмосферным воздухом. Поднимаясь к поверхности водоема, они, однако, выставляют из воды не задний конец, как то делают гладыши, но переднюю часть тела, пользуясь для дыхания грудными, а не брюшными дыхальцами. Облекающий гребляка под водой в виде пленки воздух выделяется брюшными дыхальцами и представляет собою не запас кислорода, как можно думать, но уже отработанный газ. По-видимому, эта воздушная пленка уменьшает удельный вес насекомого, облегчая ему подъем на поверхность.
Третий представитель группы водных клопов – плавт. Принадлежит к семейству наукорид. Плавает спиной вверх. Он встречается в стоячих, густо заросших водоемах.
Дышит плавт, как и другие водные клопы, атмосферным воздухом; его он набирает, поднимаясь на поверхность водоема, в замкнутое пространство, которое у него находится под надкрыльями.
Относится к отряду клопов, к семейству водяных скорпионов. Водяной скорпион предпочитает водоемы со стоячей или медленно текущей водой, достаточно густо заросшие водными растениями, на которых этот клоп преимущественно и держится.
Дышит водяной скорпион атмосферным воздухом. При этом играет роль длинный отросток, имеющийся у взрослых экземпляров на заднем конце тела. Это не что иное как трубка, составленная из двух обращенных друг к другу желобков. Выставив внешний конец дыхательной трубки из воды, скорпион набирает при помощи ее воздух в замкнутое пространство под крыльями, откуда воздух проводится в дыхальца брюшка.
У личинок длинный дыхательный сифон отсутствует. Имеется лишь короткий отросток, действующий подобным же образом.
Жуки, так же как птицы и млекопитающие, дышат воздухом. Даже те из них, кто много времени в своей жизни проводят под водой, не в состоянии получать кислород из воды, как это делают рыбы. Им нужен воздух, и они вынуждены через короткие промежутки времени всплывать. Правда, жук-плавунец способен увеличивать время своего подводного плавания благодаря довольно практичному способу. Прежде чем уйти под воду, он накапливает воздух под своими крыльями. С этим запасом воздуха под крылом он может пробыть под водой более пяти минут.
Личинки стрекоз дышат трахейными жабрами. У личинок типа лютки жаберный аппарат помещается на заднем конце брюшка в виде трех тонких расширенных пластинок, пронизанных массой трахейных трубочек. Личинки типа коромысла и настоящей стрекозы наружных жабер не имеют; жаберные выросты помещаются у них внутри тела, в полости задней кишки. Следя за спокойно сидящей личинкой, можно показать ее дыхательные движения, которые она производит, сжимая и разжимая мышцы брюшка; при этом вода нагнетается через анальное отверстие и вновь выжимается оттуда, освежая жаберные выросты кишки. Иногда наблюдается, что личинка выставляет задний конец брюшка из воды, очевидно, втягивая в себя атмосферный воздух.
Львинка принадлежит к отряду двукрылых, к семейству львинковых. Львинка водится в неглубокой воде, держится близ водоемов, в особенности на цветущих растениях, в зарослях небольших прудков, канав.
Дышит личинка атмосферным воздухом, захватывая его в дыхательное отверстие, расположенное в центре розетки на заднем конце тела, который личинка выставляет из воды.
Иловая муха (ильница).
Иловая муха, или пчеловидка, или ильница. Принадлежит к отряду двукрылых, к семейству цветочных мух.
Находясь в привычной стихии, личинка глубоко закапывается в ил водоема, в грязь лужи, выставляя наружу лишь один свой хвостовой отросток. Последний представляет собою не что иное как длинную тонкую дыхательную трубку. Эта трубка обладает замечательной способностью удлиняться и укорачиваться. В вытянутом состоянии она достигает 10 см в длину, в то время как остальное тело личинки не превышает 1,5 см. Благодаря такому замечательному приспособлению ильница, погрузив свое тело в гниющие вещества, проводит к себе запас свежего воздуха для дыхания и в то же время может приспособляться ко всем изменениям уровня воды в луже, водоеме.
Комары- звонцы относятся к отряду двукрылые, к семейству звонцов.
Личинки комаров развиваются в воде, всплывают, прикрепляются концом брюшка к поверхностной пленке воды, набирают воздух для дыхания. Некоторое время могут поглощать кислород, растворенный в воде.
Куколки комаров на голове имеют «рожки», это дыхательная трубочка, которое куколка выставляет на поверхность воды для дыхания.