Умблик
10 класс · углублённый
Биология · 10 класс · углублённый уровень
Биология · углублённый уровень · 10 класс · Урок 67

Дыхание организмов: поверхность обмена, жабры, лёгкие и вентиляция

Клеточное дыхание — химические реакции, а дыхательная поверхность — место переноса газов. Растения, водные и наземные животные обеспечивают обмен разными структурами. Сравним диффузию, кожное дыхание, жабры и лёгкие, отдельно разобрав механизмы вентиляции птиц и млекопитающих.

Строение и функции организмов

Федеральная программа · углублённый уровень · 10 класс

Строение и функции организмов

Элементы программы, раскрываемые в этом уроке:

  • Клеточное дыхание и газообмен как разные процессы
  • Поступление и использование газов у растений
  • Диффузия через поверхность клетки
  • Кожное дыхание
  • Строение жаберной поверхности
  • Лёгкие позвоночных и сравнительная анатомия
  • Воздушные мешки и однонаправленный поток у птиц
  • Альвеолы и дыхательные движения млекопитающих
  • Дыхательная система человека
  • Регуляция дыхания
  • Дыхательные объёмы и жизненная ёмкость
Три разных процесса, которые часто называют «дыханием»ВентиляцияГазообменКлеточное дыханиедвижение воздуха/водыобмен O₂ и CO₂получение энергииГазообмен возможен через кожу, жабры, трахеи или лёгкие — в зависимости от вида.
Схема демонстрирует разные поверхности газообмена животных; вентиляция птиц и млекопитающих не изображается одной одинаковой стрелкой.

Как это устроено

Клеточное дыхание преобразует вещества в клетке; газообмен доставляет нужные газы и удаляет продукты. У растений устьица и другие пути обеспечивают обмен с воздухом, а клетки используют O₂ для дыхания даже при фотосинтезе. У очень небольших организмов диффузия через поверхность клетки может быть достаточной, но при росте размеров и расстояний возникают ограничения площади и скорости переноса. Влажная кожа ряда животных тоже служит дыхательной поверхностью, однако не у каждого животного и не вместо всех других органов.

Жабры предоставляют большую влажную поверхность контакта воды и крови. У многих рыб противоточное движение воды и крови поддерживает градиент O₂ вдоль жаберной пластинки, но это конкретный механизм, который надо показывать стрелками двух потоков. Вода содержит меньше доступного кислорода на единицу объёма, чем воздух, а вентиляция жабр требует работы. Жабры не производят O₂: они переносят растворённый газ из воды во внутреннюю среду.

Лёгкие позвоночных имеют разные строение и способы вентиляции. У млекопитающих воздух доходит до альвеол, а изменение объёма грудной полости с участием диафрагмы и межрёберных мышц обеспечивает вдох и выдох. Птичьи воздушные мешки помогают перемещать воздух через лёгкое, где поток через газообменные каналы организован преимущественно однонаправленно. Воздушные мешки не являются аналогом альвеол и не составляют главный обменный участок. Сравнительная анатомия не является лестницей «совершенства»: разные устройства связаны с разной историей и задачами линий.

У человека дыхательные пути проводят, согревают и очищают воздух, а обмен в лёгких требует вентиляции, кровотока и тонкой границы между ними. Нервные сети и химические сигналы регулируют дыхательные движения; нельзя объяснять каждый вдох только прямым «желанием получить O₂». Дыхательный объём — один обычный цикл, жизненная ёмкость — максимальный объём выдоха после полного вдоха; остаточный объём остаётся в лёгких. Учебные измерения сравнивают при одинаковой технике и без принуждения: дискомфорт — причина прекратить опыт.

Словарь урока

Каждое понятие — с примером

Газообмен

Перенос O₂ и CO₂ между средой и организмом либо между жидкостями и тканями по различиям их парциальных давлений.

Пример: В альвеолах O₂ переходит из воздуха в кровь, а CO₂ — в обратном направлении при соответствующих условиях.

Клеточное дыхание

Ферментативные процессы использования энергии веществ с переносом электронов и образованием АТФ, отличные от одного механического вдоха.

Пример: Клетки растения дышат и днём, и ночью, даже когда фотосинтез идёт только при свете.

Дыхательная поверхность

Участок организма, через который эффективно проходят газы благодаря площади, толщине и поддержанию градиента.

Пример: Жаберные пластинки рыбы увеличивают площадь контакта воды и крови.

Диффузия газов

Чистое перемещение молекул газа из области более высокого парциального давления к области более низкого в данных условиях.

Пример: Через тонкую влажную поверхность O₂ может переходить в ткани при сохранении градиента.

Кожное дыхание

Значимая доля газообмена через поверхность тела животного при подходящих свойствах покрова и кровоснабжении.

Пример: У некоторых земноводных влажная кожа участвует в получении O₂ наряду с лёгкими.

Жабры

Орган газообмена водных животных с большой поверхностью контакта воды и внутренней транспортной среды.

Пример: У рыб вода проходит через жаберные структуры, а кровь в капиллярах получает растворённый O₂.

Противоток

Движение двух сред в противоположных направлениях, способное поддерживать разницу концентраций вдоль обменной поверхности.

Пример: У многих костных рыб поток воды и крови в жаберных пластинках помогает извлекать O₂ из воды.

Лёгкое

Внутренний орган воздушного газообмена животных, строение которого различается между группами позвоночных.

Пример: Лёгкие млекопитающих содержат альвеолы, а птичья система имеет другую организацию потоков.

Альвеола

Мелкий воздушный отдел лёгкого млекопитающего с тонкой стенкой и близкой сетью капилляров для обмена газов.

Пример: У человека газообмен между воздухом и кровью происходит через альвеолярно-капиллярную границу.

Воздушный мешок птицы

Часть дыхательной системы птиц, участвующая в перемещении воздуха через более жёсткое лёгкое, но не являющаяся главным местом газообмена.

Пример: При циклах вдоха и выдоха мешки помогают поддерживать поток через лёгочную ткань птицы.

Вентиляция

Обновление воздуха или воды у дыхательной поверхности движениями соответствующих структур организма.

Пример: Диафрагма и межрёберные мышцы меняют объём грудной полости у человека.

Дыхательный объём

Объём воздуха, проходящего через дыхательные пути за один обычный вдох или выдох при указанных условиях измерения.

Пример: В покое и после нагрузки средний дыхательный объём одного человека может различаться.

Жизненная ёмкость лёгких

Максимальный объём воздуха, выдыхаемый после максимально глубокого вдоха при правильном выполнении измерения.

Пример: Значение зависит от размеров тела, возраста, техники и состояния человека и не равно всей ёмкости лёгких.

Пример по шагам

Ученик подписал воздушный мешок птицы как «альвеолу, где кровь получает O₂». Что исправить?

  1. Главный газообмен у птиц происходит в лёгочной ткани, а не в воздушных мешках как таковых.
  2. Воздушные мешки участвуют в вентиляции и поддержании потока воздуха через лёгкое.
  3. Альвеолы характерны для лёгких млекопитающих и отличаются от устройства птичьей системы.

Вывод: Воздушный мешок и альвеола выполняют разные роли и не должны иметь одинаковую подпись на сравнительной схеме.

Практическая работа

Сравнение дыхательных моделей без рискованных проб

  1. На готовых анатомических схемах отметьте поток воздуха или воды и кровоток у рыбы, птицы и млекопитающего.
  2. По анонимным готовым данным спирометрии различите обычный дыхательный объём и жизненную ёмкость.
  3. Укажите, какие выводы требуют ещё измерения газового состава или кровотока.

Что можно заключить: Вентиляция, поверхность обмена и внутренний перенос — отдельные звенья; один объём воздуха не измеряет все функции дыхания.

Безопасность: Используйте готовые данные и модели; не задерживайте дыхание до дискомфорта, не делитесь мундштуками и не используйте спирометрию для диагноза.

Попробуйте сами

Запишите своё решение, затем сравните его с разбором. Развёрнутые ответы автоматически не оцениваются.

Открываем задания…

Сверка содержания

Раздел и элементы содержания сверены с федеральной программой. Текст и учебные схемы созданы для Умблика; схема не передаёт реальные размеры.