文摘
乍一看,鳄鱼和鸟类似乎是两个不同组的动物。鳄鱼倾向于住在沼泽和湿地,而大多数鸟类往往在陆地或在树上筑巢。它们不仅看起来非常不同,但当鳄鱼四肢着地走路和优秀的游泳者,大多数鸟类飞行。有趣的是,研究人员发现在鳄鱼有着惊人的相似之处和鸟类呼吸!不同于人类如何呼吸,鸟类和鳄鱼都有单向气流通过他们的航空公司,这意味着空气在循环路径进入肺部和退出。本文比较了呼吸系统的结构在鸟类和鳄鱼。我们也检查他们的呼吸系统是专门为他们独特的环境和活动。
从鳄鱼乌鸦:鸟类和鳄鱼怎么呼吸?
想象一下一只鸟。尽管有许多不同的物种,绝大多数鸟类飞行寻找食物,筑巢,躲避捕食者。现在想象一只鳄鱼。他们生活在炎热,潮湿的湿地和度过一天游泳,在陆地上移动,沐浴在阳光下。鳄鱼和鸟类明显表现出截然不同的行为;然而,这些活动的驱动方式是一样的在所有类型的动物。动物细胞需要氧气来创建所需的能量函数。从空气中获得氧气穿过动物的呼吸系统在哪里气体交换发生了。气体交换发生在呼吸的空气中的氧气流入一个动物的血液通过这一过程被称为扩散。作为交换,细胞产生的二氧化碳作为代谢产物从血液扩散到空气和呼出体外。
在所谓的人类呼吸潮汐的呼吸模式。就像海洋的潮汐,哪种方法大海岸边,然后再回到同样的路径,我们呼吸的空气进入我们的肺部开关方向和出口通过它进入相同的路径。然而,鸟类和鳄鱼呼吸系统有所谓单向流动呼吸模式:空气流动主要是一个方向,在一个循环,通过结构称为初级和二级支气管(图1)。支气管(也称为航空公司)作为路径的管空气流入和流出肺部。在本文中,我们将比较鸟类和鳄鱼的呼吸系统了解单向流动有助于这两个截然不同的种类的动物。
- 图1 -比较的潮汐和单向气流模式。
- 动物,如哺乳动物(例如,人类、狗、马;左侧图)的使用潮汐的呼吸模式,空气进入和退出的两个肺通过相同的路径(同样的气管和支气管相同)。换句话说,空气扭转方向退出以同样的方式进入。这类似于海洋的潮汐,水是接近岸边然后离开岸边通过同样的途径。动物,如鸟类和鳄鱼(图右),使用的是单向(单向)呼吸模式。这意味着空气进入呼吸系统,通过单向电路后通过气管,总是朝着一个方向,在退出前。这类似于一个赛马场,汽车只在一个方向上驱动。
灵感:呼吸
所示图2一个,当一只鸟呼吸时,空气进入呼吸系统通过一个刚性,空心管周围的软骨环(僵硬的身体组织);这个管气管(1]。在一些鸟类,气管可能形成一个循环,以适应其他航空公司;这个功能也可以帮助他们产生声音2- - - - - -4]。气管在鸟的胸部和分裂成两个较小的管叫主支气管深入鸟的身体。这些主支气管肌管分支到右和左肺(1]。
- 图2 -呼吸系统的简化图的鸟类(一)和鳄鱼(B)。
- 单向(单向)路径,空气进出从身体内的蓝色箭头所示白色空间在每个图,它代表了每个动物的空心气管和肺。气体交换的过程,包括O的扩散2(氧气)和有限公司2(二氧化碳)之间的空气和毛细血管,强调在紫色的插图。“颈”一词是指一个位置附近的脖子。“腹”是指靠近胃的位置或腹部。“后”是指一个位置向后方的动物,“背”是指动物的回来。
后空气穿过鸟的主支气管和到达肺部的背上,它分成更小、薄管称为dorsobronchi。Dorsobronchi最终变成parabronchi,甚至更薄、连续管。Parabronchi最终连接到超薄管被称为空气毛细血管。空气毛细血管,空气进入直接接触小血管称为毛细血管。这次会议的空气和血液中进行气体交换(2]。输送到血液氧通过薄毛细血管血液和空气之间的屏障,而二氧化碳从血液进入到身体的空气进行(1]。
空气穿过类似的单向通路在鳄鱼(图2 b)。就像鸟儿,鳄鱼有气管软骨环。小鳄鱼物种,气管可能形成一个循环,以适应其他航空公司,类似于在一些鸟类(2- - - - - -4]。一旦进入气管,空气进入主支气管。这些曲线更明显比鸟类和看起来有点像钩子在两肺(2]。就像小鸟,空气吸入鳄鱼从主支气管流入附近多个dorsobronchi分支两肺的支持。dorsobronchi,空气流入parabronchi提供氧气从空气毛细血管血液毛细血管。这些parabronchi一样的形状和定位那些小鸟,但比大多数鸟类更大(2]。
空气水库
鸟类有一个独特的呼吸功能。如果他们的主要的空气支气管不会立即用于气体交换,它将从主支气管,被存储在薄壁囊后气囊。这些气囊不出现在鳄鱼。但如果鳄鱼可以执行单向呼吸没有气囊的鸟类,他们如何存储空气当他们需要屏住呼吸吗?有趣的是,科学家们发现小空间称为鳄鱼肺小室,靠近气囊将在鸟类。鳄鱼也有每个主支气管附近的一个地区称为尾sac-like结构,负责空气存储(2- - - - - -4]。因此,鸟类和鳄鱼都有空气存储解决方案!
过期:呼出
当鸟呼吸,空气从后气囊进入dorsobronchi然后进入parabronchi气体交换。空气已经释放氧气进入血液,血液中的二氧化碳然后从parabronchi进入到大支气管称为ventrobronchi在前(腹侧)每个肺的一部分。从那里,它移动了气管,对它是从哪里来的(1]!
鸟类相比,鳄鱼有一个主要二级腹侧支气管肺,称为颈腹侧支气管(CVB)。每个CVB有一个非常大的直径,科学家认为这可能是因为空气已经经历了气体交换可以暂时存储在CVB离开前气管(2- - - - - -4]。这是很重要的,因为这空气不能退出气管而新鲜的空气从外面进入气管。阀门有助于确保空气已经经历了气体交换只有退出通过气管在呼吸,不与呼吸。鸟类有气囊连接到他们的腹侧支气管,称为颈气囊,相同的功能(3,4]。
进化的连接
有氧能力是一个术语,用来描述多少氧气的动物(或人)体力活动时可以使用。一个训练有素的长途骑自行车,例如,有很高的有氧能力和使用大量的氧气循环来维持非常有力。鸟飞,这就需要大量的能量。因此,鸟类通常具有较高的有氧能力。另一方面,鳄鱼不活跃和有氧能力较低。尽管这种差异在有氧能力,鸟类和鳄鱼呼吸系统的结构是相似的,部分原因是他们开发了从一个共同的进化祖先:恐龙(图3)!呼吸系统的共享特征的鸟类和鳄鱼帮助这些动物使用氧气有效氧需求高的时候。这些相似之处之前进化鸟类和鳄鱼是从共同的祖先进化而来(2]。尽管鳄鱼可能看起来更像我们认为当我们听到的“恐龙”一词也为更多的鸟类是从恐龙进化而来的。这是基于相似性的骨架、软组织、增长率、复制、和行为(5]。
- 图3——之间的共同祖先进化树显示现代鳄目(鳄鱼和短吻鳄)和鸟纲(鸟类)。
- 三亿年前,鸟类和鳄鱼慢慢是从共同的祖先进化而来,Diapsida,进入我们今天所看到的物种。Diapsida本身已从早期共同祖先进化,称为一个祖先的脊椎动物。地球上有超过17000种已知的双窝型的今天。
适应飞行
鸟需要一个高度有效的呼吸系统,因为飞行要求很多的氧气!像哺乳动物、鸟类吸热温血动物。这意味着他们的细胞生成自己的体温,也需要大量的能量和氧气。幸运的是,鸟类已经开发出一些非常整洁的呼吸功能来满足这种高氧的要求。一只鸟的气体交换,血液和空气毛细血管排列横向在彼此的形状与血液流通“x”在一个角度与新鲜的空气在空气中毛细血管。这种高效的安排被称为交叉当前气体交换,它能使鸟儿最大化的氧气可以从空气中(6]。由于单向流动的空气呼吸系统,鸟类的航空公司不需要很容易扩展和收缩。这意味着航空公司周围的组织可以硬,比在其他动物。这个强大的组织保护航空公司和帮助支持非常薄的气道毛细血管(7]。
适应水生生物
与吸热的鸟类,鳄鱼冷血动物并不能产生自己的体温;相反,他们依赖于他们的环境的温度:当它是温暖的,温暖;天冷的时候,他们是冷。你会经常发现自己热身晒太阳的蜥蜴。我们也知道鳄鱼往往花费了大量的时间在水中,甚至完全淹没。因此,屏住呼吸的能力是至关重要的。当鳄鱼狩猎或隐藏在水下,肺部可以作为一个氧气区域。此外,鳄鱼的跳动的心脏的运动和压力可以帮助泵或混合空气在肺部,进一步支持他们保持呼吸的能力。这是非常令人兴奋的,因为最近的研究还发现,在某些哺乳动物,氧气是由心脏注入气体交换结构的运动和呼吸的通常的压力(3,4]。
从认识到行动:为什么学习这些物种?
我们今天所看到的鳄鱼和鸟类可能看起来和行为非常不同,但他们的共同祖先意味着他们的呼吸系统非常相似!不像你和我,鳄鱼和鸟类都有单向气流通过呼吸道结构相似。然而,还有一些关键的差异,帮助鳄鱼和鸟类进行不同的活动。一个单向呼吸系统不仅有助于维持飞行的鸟类,而且也帮助鳄鱼长时间屏住呼吸。研究这些动物的呼吸系统非常重要,原因有很多:这样做不仅教我们如何连接甚至最不同的物种可以可供选择,同时也为我们提供了宝贵的知识有助于了解动物与自然环境进行交互。这种类型的知识是至关重要的支持还可以提供灵感来源的努力保护和令人兴奋的新方法解决各种生物或者生物医学的挑战。仍有许多谜团揭开各种动物物种如何呼吸,与新结构,气流模式,探索和进化关系。现在你知道更多关于鸟类和鳄鱼呼吸系统,什么悬而未决的问题你想调查吗?
术语表
呼吸系统:↑执行动作的结构在我们的身体移动身体的空气,为了允许气体交换发生。
气体交换:↑考虑氧气的过程和消除二氧化碳从身体通过扩散;这些气体交换之间的空气和呼吸系统内毛细血管。
扩散:↑粒子的运动的气体或液体,从地区有高浓度的地方有一个低浓度。
潮汐的呼吸:↑流动的空气进出肺部沿着相同的路径;空气必须改变方向流出沿着相同的路径,它被输入。
单向流动:↑通过肺部的空气在一个方向上的运动,在一个相对循环路径,而不是空气被吸入,然后推出沿着同样的道路。
有氧能力:↑一个动物的能力利用空气中的氧气产生能量;最多的氧气使用任何特定的动物在激烈的活动或体育锻炼。
吸热:↑动物可以创建自己的体温从食物和氧气等能源保持温暖被称为吸热或温血动物。
冷血动物:↑动物依赖于温度的外部环境(如空气或水温度)加热或冷却被称为冷血动物还是冷血。
的利益冲突
作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
确认
数据在本文使用的组合创建演示文稿和图片通过知识共享公开。动物轮廓和单色线图纸作为基础图1,2被获得https://thenounproject.com/。
引用
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