Daugumai gyvų organizmų reikalingas deguonis. Vienaląsčiai organizmai (pvz., ameba, klumpelė) dujų apykaitą vykdo tiesiogiai su aplinka per plazminę membraną. Dujos – nepolinės molekulės, todėl membraną praeina lengvai. Kai kurie daugialąsčiai gyvūnai taip pat sudaryti taip, kad kiekviena ląstelė turi santykį su aplinka. Pvz., primityviausias gyvūnas – pintys, sudarytos iš „taurelių“, kurių vidų ir išorę skalauja vanduo. Taurelės sienelę sudaro 1-2 ląstelės, todėl visos jos turi tiesioginį santykį su aplinka ir dujų apykaitą taip pat vykdo tiesiogiai per plazminę membraną. Tačiau daugumos kitų daugialąsčių gyvūnų kūno sandara sudėtingesnė, todėl jiems reikalingi specializuoti kvėpavimo organai, sudarantys kvėpavimo sistemas.

Kūno paviršius Trachėjų (vamzdelių) sistema

Žiaunos

Plaučiai

•Didelis pav. plotas•Plonas paviršius •Drėgnas paviršius (vanduo arba išskiriamos gleivės)

•Vamzdelių sistema išsikerojusi po visą organizmą•Raumenys, padedantys pumpuoti orą•Plonos ir drėgnos tracheolių sienelės, greitai apykaitai tarp vamzdelių ir kūno ląstelių

•Plonos ir drėgnos struktūros•Nuolat skalaujamos vandens•Plonos sienelės, kurios kontaktuoja su kraujagyslėmis

•Plonas paviršius, kontaktuojantis su kraujagyslėmis•Paviršiai nuolat drėkinami gleivėmis•Yra kūno viduje, todėl išsaugoma drėgmė, ir apsaugoma nuo temparatūros pokyčių

Skirtingi gyvūnai prisitaikę kvėpuoti skirtingomis sąlygomis, tačiau visi kvėpavimo paviršiai turi turėti kelias bendras savybes: 1. Didelis paviršiaus plotas – kuo didesnis Spav, tuo daugiau per jį pasisavinama / atiduodama

dujų

2. Plonas paviršius – kuo plonesnis paviršius, tuo dujų pernaša per jį efektyvesnė. Paprastai

kvėp.paviršius sudarytas iš 1-2 ląstelių.

3. Drėgnas paviršius – dujų difuzija gali vykti tik per drėgną paviršių. Pvz., žuvų odą / žiaunas ir taip

skalauja vanduo, bet varlė savo odą turi nuolat drėkinti. Jei oda išdžiūsta, varlė uždūsta. Mūsų plaučiai taip pat nuolat drėkinami.

Kai kuriems gyvūnams galima taikyti ketvirtą savybę:

4. Gera kraujotaka – kvėpavimo paviršius gerai aprūpintas kraujagyslėmis; kraujas efektyviai

prisisotina deguonies, ir jį išnešioja po visą organizmą. Pvz., žiaunas, plaučių alveoles apraizgęs labai tankus kapiliarų tinklas.

Egzaminui šias savybes būtina įsiminti, ir net tiksliai nežinant, kaip koks nors organizmas kvėpuoja (pvz., kaspinuotis), vis vien klausimą atsakyti, ir gauti pilnus taškus galima remiantis šiomis kvėp.paviršiams būdingomis savybėmis.

Keturi pagrindiniai kvėpavimo sistemų tipai gyvūnuose: I. Kūno paviršius. T.y., oda, ar kitas kūno dangalas. Kūno paviršiumi kvėpuoja kai kurios kirmėlės

(sliekas, planarija; tačiau yra ir žiaunomis kvėpuojančių kirmėlių), kai kurios žuvys, varliagyviai ir primityviausi gyvūnai (pintys, hidra). Kvėpavimas kūno paviršiumi – vandens gyvūnų ypatumas.

II. Vamzdelių sistema kvėpuoja vabzdžiai (sausumos kvėp.organas).

III. Žiaunomis kvėpuoja žuvys, kai kurie

moliuskai, kirmėlės. Žiaunos gali būti vidinės (kaip daugumos mums pažįstamų žuvų, „pasislėpusios“ po plokštele) arba išorinės („nepridengtos“; jas turi kai kurios žuvys, žuvų ir varliagyvių buožgalviai, kai kurios kirmėlės, pvz., smiltkirmis). (Vandens kvėp.organas).

Plaučiai. Plaučiai būna labai skirtingi, pvz.,

voragyviai kvėpuoja „knyginiais“ plaučiais, sudarytais lyg iš knygos lapelių (veikia panašiai kaip dumplės; programoje nėra), plaučiai taip pat skiriasi pagal gyvūno išsivystymo lygį. Plaučiai – sausumos gyvūnų ypatumas. Smiltkirmio išorinės žiaunos.

Kvėptukas

Trachėja

Tracheolė

Trachėja

Kvėptukas

Vabzdžiai kvėpuoja vamzdelių sistema Vabzdžių kvėpavimo sistemą sudaro vamzdeliai – trachėjos ir tracheolės – ir kvėptukai. Vabzdžiui judant, pro kvėptukus, esančius kūnelio šonuose, į trachėjas ir iš jų cirkuliuoja oras. Trachėjos yra išsiraizgiusios po kūnelį ir toliau šakojasi į smulkesnės tracheoles, kurios liečiasi su ląstelėmis. Kiekviena kūno ląstelė turi sąlytį su tracheole. Tai reiškia, kad ląstelės deguonimi aprūpinamos tiesiogiai per vamzdelius, kuriuose cirkuliuoja oras, todėl kraujotaka nėra reikalinga. (Nors vabzdžiai turi kraujotakos sistemą, tačiau jos pagrindinė f-cija – išnešioti maisto medž. Daugumos vabzdžių kraujas žalias, o ne raudonas, nes jame nėra hemoglobino (nes deguonies pernešti nereikia). Kvėpavimo paviršius yra: 1. Didelis – trachėjų ir tracheolių yra taip daug, kad jos susisiekia su kiekviena ląstele,

todėl susidaro labai didelis Spav.

2. Plonas, nes trachėjų ir tracheolių sienelę sudaro tik 1 ląstelių sluoksnis, todėl dujoms

reikia pereiti tik dvi membranas (tracheolė ląstelė).

3. Drėgnas, nes trachėjų paviršius nuolat drėkinamas, o tracheolės apskritai pripildytos

skysčio.

4. Kraujotaka – nereikalinga

Žiaunos

Kraujagyslės

Priešpriešinė srovė

Žuvys kvėpuoja žiaunomis Kai kurios žuvys taip pat kvėpuoja oda ir žiaunomis, plaučiais

1. Žiaunų paviršiaus plotas labai didelis – viena žiauna sudaryta iš daug

plokštelių, kiekviena plokštelė – iš daug lapelių, kiekvienas lapelis turi daug lakštelių. Taigi, susidaro labai didelis Spav, per kurį gali vykti dujų apykaita.

2. Žiaunos plonos – kaip visada, paviršių sudaro 1 ląstelių sluoksnis.

3. Skalaujamos vandens. 4. Labai gerai aprūpintos kraujotaka – kiekvienoje plokštelėje yra tankus

kapiliarų tinklas.

Dujų apykaita žiaunose vyksta priešpriešine srove. Tai reiškia, jog kraujas žiaunose teka priešinga kryptimi, nei jas skalaujantis vanduo. Taip užtikrinama, kad per visą žiaunų paviršių išlaikomas koncentracijos gradientas, ir dujų apykaita vykstą per visą paviršių (kitaip nebūtų prasmės turėti tiek plokštelių ir lakštelių, jei vis vien kraujas prisisotina tik pasiekęs žiaunas, ir daugiau O2 nebepaima / neatiduoda CO2).

Daug O2 vandenyje + beveik prisisotinęs kraujas = truputį difunduoja

Truputį mažiau O2 vandenyje + dar neprisisotinęs kraujas = daug difunduoja

Dar truputį mažiau O2 vandenyje + dar mažiau prisisotinęs kraujas = daug difunduoja

Mažai O2 vandenyje + visai neprisisotinęs kraujas = truputį difunduoja

(tas pats su CO2)

Esmė: koncentracijos gradientas išlieka per visą paviršių.

Egzaminui reikia suprasti ir mokėti taikyti priešpriešinės srovės reikšmę.

Vanduo

Kraujas

Žiaunos paviršius

Plaučiai Plaučiai – sausumos gyvūnų ypatumas. Jie ypatingi tuo, kad yra kūno viduje, tačiau aprūpina organizmą deguonimi daug efektyviau nei kiti organai, pvz., oda. 1. Plaučiai turi labai didelį vidinį paviršių, nors užima mažai vietos.

Taip yra dėl sudėtingos plaučių vidinės struktūros. Pvz., žmogaus plaučių kvėpavimo paviršius sudarytas iš daugybės alveolių – mažų apvalių pūslelių, kurių bendras paviršiaus plotas labai didelis. Tačiau plaučių vidinė struktūra priklauso nuo organizmo išsivystymo lygio. Pagal sudėtingumą pavaizduoti plaučiai: Salamandra (varliagyvis) Varlė (varliagyvis) Rupūžė (varliagyvis) Roplys Paukštis

Ši seka atitinka ir evoliucinę šių organizmų vystymosi seką:

varliagyviai ropliai paukščiai.

Paprastai tariant – mažiau išsivysčiusio gyvūno kūno sandara paprastesnė, todėl O2 reikia mažiau, ir plaučių vidinė struktūra paprastesnė, Spav mažesnis.

Paukščiams reikia ypač daug O2, nes skraidymas reikalauja labai daug energijos. Todėl paukščių plaučiai išsivystę labiausiai. Be didelio Spav, jie taip pat turi oro maišus. Programoje konkrečiai paukščių plaučiai įvardinti nėra, bet bendram supratimui: Įkvėptas ir iškvėpiamas oras pirma patenka į oro maišus, tokiu būdu patys plaučiai yra visiškai ištuštinami, vėliau – pilnai pripildomi oro, turinčio daug O2. Žmogaus plaučiai niekada pilnai neištuštinami, priverstinai iškvėpus lieka min. 20% oro (normaliai kvėpuojant – daugiau), todėl naujai įkvėptas oras susimaišo su likusiu, mažai O2 turinčiu oru, todėl bendrai O2 į plaučius patenka šiek tiek mažiau. Tačiau žmogui (ir kitiems žinduoliams) to pakanka, kad organizmas būtų pilnai aprūpintas O2.

2. Plaučių kvėpavimo paviršius labai plonas – alveolių sienelę sudaro tik 1 ląstelių sluoksnis.

3. Plaučiai nuolat drėkinami išskiriamų gleivių, be to, kadangi yra kūno viduje, drėgmę išlaikyti daug lengviau. Todėl ir yra pritaikyti sausumos gyvūnams.

Varlė – tarpinis gyvūnas tarp vandens ir sausumos gyvūnų (paprastai tariant,

grandis tarp žuvų ir roplių), nes: Kvėpuoja ir oda (vandens gyv. ypatumas), ir plaučiais (sausumos gyv. ypatumas) Varlės oda turi būti nuolat drėkinama išskiriamomis gleivėmis, kad neišdžiūtų (apačioje pavaizduotos gleivių liaukos esančios po oda). Jei oda išdžiūsta, varlė uždūsta. Be to, oda labai gerai aprūpinta kraujotaka (odos paviršius išraizgytas kapiliarų), kad kraujas efektyviai pasisavintų O2 ir jį išnešiotų po visą organizmą. Plaučiais varlė kvėpuoja tik sausumoje.

Varlė dauginasi vandenyje Kiaušinėliai ir buožgalviai gali išgyventi tik vandenyje

Varlės buožgalviai kvėpuoja išorinėmis žiaunomis

Jei nebūtų išsivystę plaučiai, gyvūnai, ko gero, nebūtų su visam išlipę į sausumą. Be to, plaučių reikšmę nesunku įvertinti palyginus vandens ir sausumos gyvūnus – sausumoje gyvena sudėtingiausi gyvūnai – žinduoliai ir paukščiai, sausumos gyvūnai daug didesni (dinozauras, dramblys), ir net didžiausias dabar egzistuojantis gyvūnas – banginis – iš tikrųjų yra „sausumos“ žinduolis, kažkada sugalvojęs įlipti atgal į vandenį. Nors ir gyvena vandenyje, jis kvėpuoja plaučiais – kitaip toks didelis jis būti negalėtų. Plaučių, palyginus su kitais organais, privalumas tas, kad jų Spav, palyginus su visu kūno paviršiumi, yra labai didelis. Pvz., varlės odos ir kūno santykis gana mažas, nes varlė – gana didelė (prisiminkite, kada Spav ir tūrio santykis didžiausias), o plaučių Spav daug didesnis nei odos.

Kvėpavimo centrai (pailgosiose smegenyse)

Ryklė

Stemplė

D. plautis K. plautis

Bronchas

Bronchiolės

Trachėja

Gerklos

Antgerklis

Liežuvis

Nosies ertmė

Sinusai

Diafragma

Žmogaus kvėpavimo sistema

https://www.youtube.com/watch?v=zRv5tNCMpyY

Oras, įkvėptas pro viršutinius kvėpavimo takus (nosiaryklė) patenka į apatinius kvėpavimo takus (gerklos, trachėja ir bronchai) ir į plaučius. Labai svarbu, kad plaučiai išliktų drėgni, neprarastų šilumos ir nesusidurtų su infekcijos sukelėjais. Nuo to juos ir apsaugo kvėpavimo takai.

Nosies ertmė: Sudrėkina orą – nosies ertmėje gausu gleivių

Sušildo orą – nosies ertmės gleivinė išraizgyta kapiliarų, pro kuriuos prateka daug kraujo, kuris sušildo įkvepiamą orą

Filtruoja orą – virpinamasis epitelis išskiria gleives, kurios įklampina ligos sukelėjus ir kt. svetimkūnius, tuomet epitelio ląstelės, turinčios mikrogaurelius (virpinamasis epitelis), išstumia šias gleives + svetimkūnius

Aktyviai apsaugo nuo ligos sukelėjų – gleivinėje gausu imuninių ląstelių, pvz., fagocitų, kurie

sunaikina ligos sukelėjus

Apatiniai kvėpavimo takai taip pat nuolat drėkinami gleivių, ir šildomi pratekančio kraujo.

Apatinius kvėpavimo takus sudaro gerklos, trachėja ir du bronchai, kurie šakojasi į daugybę bronchiolių. Bronchiolės užsibaigia daugybe alveolių.

Nuo stambių svetimkūnių patekimo į kvėpavimo takus (pvz., valgant) saugo antgerklis. Ryjant maistą, antgerklis (nedidelė kremzlės plokštelė) nusileidžia uždengdamas gerklas, kad maistas patektų į stemplę, o ne trachėją (žr. video; epiglottis).

Trachėja sudaryta iš jungiamojo audinio plėvės ir krezlinių puslankių, kurie palaiko jos

formą – jei jų nebūtų, pirmą kartą iškvėpus orą trachėja subliūkštų ir niekada nebeatsistatytų. Ten, kur trachėja liečiasi su stemple kremzlės nėra, kad netrukdytų ryti maisto.

Alveolės yra: 1. Mažos ir jų labai daug, todėl turi labai didelį bendrą Spav, ir gali efektyviai vykdyti dujų

mainus.

Žmogaus plaučių vidinis Spav tolygus teniso aikštės plotui. 2. Plonos – jų sienelę sudaro tik 1 epitelinių ląstelių sluoksnis, dujų mainus itin greitai.

3. Drėgnos – yra nuolat drėkinamos gleivių. Į plaučius patekus orui alveolės išsiplečia, išskiriamos gleivės, kad maišeliai nesubliūkštų.

4. Labai gerai aprūpintos kraujotaka – kiekviena alveolė yra apraizgyta kapiliarų tinklo, todėl kraujas

efektyviai prisotinamas O2 / atiduoda CO2.

Trachėja

Plautis

Diafragma

ĮKVĖPIMAS IŠKVĖPIMAS

PRIVERSTINIS ĮKVĖPIMAS

PRIVERSTINIS IŠKVĖPIMAS

Tarpšonkauliniai raumenys

https://www.youtube.com/watch?v=hp-gCvW8PRY

Įkvėpimo ir iškvėpimo metu oras į plaučius plūsta dėl slėgių skirtumo. Daugiau vietos = molekulės mažiau susispaudusios = mažesnis slėgis Mažiau vietos = molekulės labiau susispaudusios = didesnis slėgis Oras (kaip ir visa kita visur kitur) plūsta iš didesnio slėgio į mažesnį.

Taigi, tam, kad oras judėtų į plaučius, krūtinės ląstoje reikia padaryti vietos: Įkvėpimas Diafragma susitraukia ir nusileidžia Tarpšonkauliniai raumenys susitraukia ir pastumia šonkaulius į priekį

Krūtinės ląstoje atsiranda daugiau vietos = mažesnis slėgis = oras plūsta į plaučius.

Kad orą išstumtų iš plaučių: Iškvėpimas Diafragma atsipalaiduoja ir pasikelia Tarpšonkauliniai raumenys atsipalaiduoja ir pritraukia šonkaulius

Krūtinės ląstoje atsiranda mažiau vietos = mažesnis slėgis = oras išstumiamas iš plaučių.

Kaip nesusipainioti susitraukia-atsipalaiduoja: Įkvėpti jums gyvybiškai svarbu, tam reikia energijos, tai – aktyvus procesas. Raumenų susitraukimas – taip pat aktyvus, energijos investicijos reikalaujantis procesas. Iškvėpimas – kaip atomazga po įkvėpimo, įvyksta „savaime“. Taip pat ir raumenų atsipalaidavimas „savaime“ seka po susitraukimo.

Normaliai kvėpuojant iš esmės dirba tik diafragma, o prireikus papildomo oro (pvz., sportuojant) arba priverstinai įkvėpiant / iškvėpiant, prisijungia ir tarpšonkauliniai raumenys.

Alveolės apraizgytos kapiliarų, todėl dujos lengvai difunduoja į / iš kraujo. Alveolių sieneles sudaro tik vienas ląstelių sluoksnis, kapiliarų – taip pat, todėl dujoms reikia praeiti tik 2 ląsteles. Kraujyje O2 pernešamas prisijungęs prie hemoglobino, esančio eritrocituose, CO2 – ištirpęs plazmoje.

https://www.youtube.com/watch?v=5LjLFrmKTSA

Hemoglobinas – ketvirtinės struktūros baltymas, pigmentas (t.y. turi spalvą), sudarytas iš keturių baltymų subvienetų. Kiekvienas subvienetas turi hemo grupę, kurios aktyviajame centre yra geležies atomas. Todėl hemoglobinui susidaryti būtina geležis, trūkstant geležies, susergama mažakraujyste. Prie hemo grupės ir jungiasi O2. Hemoglobinas yra melsvas, tačiau, kai prisijungia O2, tampa raudonu. Dėl to arterinis kraujas yra ryškiai raudonas, o veninis – tamsesnis.

Egzaminui reikia mokėti atpažinti hemoglobiną paveikslėlyje:

Hemoglobinas ypatingas nes: Jo dėka viename kraujo tūrio vienete galima sutalpinti daug daugiau O2 nei jeigu jis būtų

tiesiogiai ištirpęs plazmoje.

Be hemoglobino kraujas labai greit prisisotinų O2, o jam jungiantis prie hemoglobino, O2 „pasislepia“ ir išlieka didelis koncentracijos gradientas.

Dėl savo struktūros hemoglobinas gali prisisotinti O2, net kai jo kiekis atmosferoje mažesnis (pvz., kalnuose, kur oras išretėjęs).

Pirmas grafikas. Dujų difuzija vyksta greičiau ten, kur koncentracijos gradientas didesnis. Tarkime, jei O2 atmosferoje yra 100%, tai ir kraujas prisisotina 100%. Jei oras dvigubai retesnis, O2 yra tik 50%, įprasta molekulė taip pat prisisotintų tik 50%, tačiau hemoglobinas prisisotina net 85%, ir to užtenka, kad neuždustume. Netgi šitaip – aukštai kalnuose vis vien sunku kvėpuoti, taigi kas būtų, jeigu hemoglobino nebūtų, ir gautume tik 50% O2?

Hemoglobinas linkęs atiduoti O2 ten, kur yra daug CO2 (terpė šiek tiek rūgštinė), kitaip

tariant – trūksta O2.

Antras grafikas. Gilintis nebūtina, tiesiog ten, kur pH mažesnis O2, nuo hemoglobino disocijuoja lengviau.

Kodėl ten, kur daug CO2, terpė rūgštinė:

CO2 yra pernešamas „ištirpęs plazmoje“. CO2 jungdamasis su H2O sudaro angliarūgštę H2CO3 (tą pačią, kuri dedama į gazuotus gėrimus), kuri kraujui atkeliavus į plaučius (arba atsukus buteliuką) vėl skyla į CO2 ir H2O, ir CO2 difunduoja į alveoles.

CO2 (ne O2) – pagrindinis dirgiklis, skatinantis pailgosiose smegenyse esančius kvėpavimo centrus reguliuoti kvėpavimo dažnį.

Su rūkymu ir užterštu oru susijusios ligos:

Plaučių emfizema

Atsiranda, kai dėl susikaupusių nuosėdų išsausėja ir subliūkšta alveolės. Paprastai tariant, iš daugybės mažų pūslelių pasidaro kelios didelės, o tai reiškia, kad labai sumažėja Spav, ir organizmas negauna pakankamai O2.

Plaučių (taip pat burnos, gerklų, bronchų) vėžys

Dėl dūmuose esančių kancerogenų ląstelėse atsiranda genetinių pakitimų, dėl kurių jos supiktybėja ir išsivysto vėžys. Rūkymas labai padidina plaučių vėžio riziką (nors juo suserga ir nė vienos cigaretės nesurūkę žmonės).

Chroniškas bronchitas

Kvėpavimo sistema sukurta taip, kad apsisaugotų nuo išorinių svetimkūnių ir kenksmingų medžiagų. Jei kvėpuojama dūmais, kvėpavimo vamzdeliai, ypač bronchai, susitraukia, kad į plaučius patektų kuo mažiau kenksmingų medžiagų. Rūkorių bronchai nuolat susitraukę, todėl padidėja rizika, kad jie užsikimš ir atsiras infekcija, todėl dauguma rūkorių serga chronišku bronchitu ir nuolat kosėja.

Kraujotakos sistemos ligos – aukštas spaudimas, infarktas, insultas, aterosklerozė

Jų rizika labai padidėja todėl, kad organizmui negaunant pakankamai deguonies (dėl emfizemos, susitraukusių bronchų ir nikotino, kuris susiaurina kraujagysles, ir pro ląsteles prateka mažiau kraujo), širdis skatinama aktyviau dirbti, kyla spaudimas, padidėja kitų širdies ir kraujotakos sistemos ligų rizika. Dėl nikotino susiaurėja kraujagyslės, todėl jos lengviau užsikemša – padidėja aterosklerozės rizika. Širdis, smegenys mažiau aprūpinami krauju, padidėja infarkto ir insulto rizika.

Rūkymas ir nėštumas: Dėl nikotino susiaurėja virkštelės kraujagyslės ir vaisius gauna mažiau O2. ir maisto

medžiagų, prastai vystosi, gali atsirasti vystymosi sutrikimų. Vaisiui išsivysto priklausomybė nikotinui (taip pat yra ir su kitomis narkotinėmis

medžiagomis). Dėl kancerogenų gali atsirasti genetinių pakitimų, sutrikti vystymasis, atsirasti vėžys.