Биология. 10 класс

Поскольку большинство животных являются аэробами, то после поступления питательных веществ в клетки тканей для дальнейшего расщепления с целью получения энергии требуется наличие кислорода. Гетеротрофные организмы могут получить кислород только из воздуха. В результате окисления органических веществ в клетках тканей образуется углекислый газ, который подлежит удалению из организма. Совокупность процессов поступления кислорода в организм и выделения из него углекислого газа называется газообменом. Газообмен включает три этапа: внешнее дыхание — газообмен между атмосферным воздухом и органами дыхания; перенос газов кровью от органов дыхания к тканям; тканевое дыхание — газообмен между кровью и тканями.

Совокупность органов, обеспечивающих внешнее дыхание, называется дыхательной системой. Как видно из рисунка, для обеспечения эффективного насыщения тканей кислородом за счет дыхательной системы необходимо согласованное функционирование дыхательной и кровеносной систем. Поэтому одновременно с эволюцией дыхательной системы у позвоночных животных протекала эволюция и кровеносной системы. Это способствовало усилению обмена веществ и повышению энергопродукции. В результате произошел переход от холоднокровности (беспозвоночные, рыбы, земноводные, пресмыкающиеся) к теплокровности (птицы, млекопитающие). Рассмотрим более подробно этапы эволюции дыхательной системы у животных.

Многоклеточные кишечнополостные, свободноживущие плоские, круглые и некоторые кольчатые (дождевые черви) черви не имеют специальных органов дыхания и дышат подобно протистам — всей поверхностью тела (путем диффузии). У паразитических форм дыхание анаэробное.

Увеличение размеров тела затрудняло снабжение тканей кислородом путем диффузии. Потребность в повышении интенсивности окислительных процессов для снабжения энергией организма привела к развитию специальной дыхательной системы, способной активно поглощать кислород из воздуха или воды. Вначале это были только примитивные органы дыхания — наружные жабры (эпителиальные выросты с капиллярами) у многощетинковых кольчатых червей (нереис, пескожил), при этом в дыхании сохранялось участие кожи.

У моллюсков органами дыхания чаще являются жабры (брюхоногие и головоногие), за исключением тех брюхоногих, которые утратили жабры, а мантийная полость у них превратилась в легкое.

У членистоногих органы дыхания имеют более сложное строение и представлены у водных форм жабрами, а у наземных легочными мешками и трахеями: у пауков — легочные мешки (видоизмененные конечности) и трахеи, а у насекомых — только трахеи.

Эволюцию дыхательной системы и усложнение строения органов дыхания у позвоночных можно проследить с помощью таблицы и рисунка.

Таблица. Сравнительная характеристика строения дыхательной системы у позвоночных

Систематическая группа	Органы	Особенности строения дыхательной системы
Надкласс Рыбы	Органы дыхания — жабры (жаберные лепестки на жаберных дугах), прикрытые жаберными крышками (у хрящевых рыб отсутствуют)	У пресноводных рыб  дополнительный орган дыхания кожа. У щуковых и карповых в газообмене участвует плавательный пузырь. У двоякодышащих рыб плавательный пузырь превращается в легкое
Класс Земноводные	Органы дыхания  у взрослых особей легкие с ячеистой внутренней поверхностью; кожа; слизистая оболочка ротовой полости; у личинок — кожа, наружные и внутренние жабры	Воздухоносные пути слабо дифференцированы. Механизм дыхания нагнетательного типа  происходит за счет опускания и подъема дна ротовой полости
Класс Пресмыкающиеся	Органы дыхания — ячеистые легкие. Появляются трахея и бронхи	Механизм дыхания вентиляционного типа. Внутренняя поверхность легких увеличивается за счет большого количества складок на внутренней поверхности. Вдох и выдох происходят за счет изменения объема грудной клетки
Класс Птицы	Органы дыхания — губчатые легкие. Есть трахея и бронхи. Часть бронхов образует воздушные мешки, выходя за пределы легких	Газообмен в легких на вдохе и выдохе — двойное дыхание. В покое дыхание обеспечивается движением грудной клетки, в полете — за счет движения крыльев. Объем воздушных мешков в 10 раз больше объема легких. Певчая гортань расположена в месте разделения трахеи на бронхи
Класс Млекопитающие	Органы дыхания — альвеолярные легкие. Воздухоносные пути: носовая полость, носоглотка, гортань, трахея, бронхи	В гортани имеются голосовые связки. В легких бронхи разделяются на бронхиолы, которые заканчиваются альвеолами, густо оплетенными капиллярами. Общая поверхность альвеол примерно в 50—100 раз больше поверхности тела. Вдох и выдох происходят за счет сокращения межреберных мышц и диафрагмы

 

Как видно на рисунке, в органах дыхания позвоночных происходило увеличение дыхательной поверхности путем постепенного расчленения их на более мелкие полости. В результате строение органов дыхания постепенно усложнялось в следующем направлении:

жабры → легкие с ячеистой поверхностью → ячеистые легкие → губчатые легкие с воздушными мешками → альвеолярные легкие.

Таким образом, эволюция дыхательной системы у позвоночных шла в направлении: увеличения дыхательной поверхности органов дыхания, усложнения строения воздухоносных путей, развития органов, обеспечивающих вдох-выдох. При этом совершенствовалась кровеносная система, доставляющая кислород от органов дыхания к клеткам тканей, расположенным внутри организма. Усложнение дыхательной и кровеносной систем обеспечивало общее повышение уровня организации классов позвоночных в следующей последовательности:

хрящевые рыбы → костные рыбы → земноводные → пресмыкающиеся → птицы и млекопитающие.