Bài học

Các bề mặt trao đổi khí

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em nêu và giải thích được bốn đặc điểm chung của một bề mặt trao đổi khí hiệu quả, và so sánh được bốn kiểu bề mặt — da, mang, ống khí, phổi — theo các đặc điểm đó.

Kiến thức nền cần nhớ

Ba bài trước tập trung vào hệ tiêu hoá. Ở lớp 7 (KHTN), em đã biết khái quát hệ hô hấp người: phổi trao đổi oxygen và carbon dioxide qua các phế nang (prior-grade review). Bài này mở rộng ra toàn bộ giới động vật: những loài không có phổi thì trao đổi khí bằng cách nào, và điều gì thực sự làm một bề mặt trao đổi khí trở nên hiệu quả.

Khởi động

Giun đất không có phổi, không có mang, vậy mà vẫn hô hấp bình thường qua toàn bộ làn da ẩm ướt của nó. Cá thì cần mang, côn trùng cần một hệ ống khí riêng, còn chim và thú cần phổi. Vì sao mỗi nhóm động vật lại gắn với một kiểu bề mặt trao đổi khí khác nhau đến vậy?

Kiến thức trọng tâm

Bốn tiêu chí của một bề mặt trao đổi khí hiệu quả

Dù thuộc nhóm động vật nào, một bề mặt trao đổi khí hiệu quả luôn thoả bốn tiêu chí giống nhau. Diện tích phải đủ lớn, vì lượng khí khuếch tán qua tỉ lệ thuận với diện tích tiếp xúc. Bề mặt phải mỏng, để khoảng cách khuếch tán giữa môi trường và máu — hoặc tế bào — càng ngắn càng tốt. Bề mặt phải ẩm ướt, vì khí chỉ khuếch tán qua màng tế bào sau khi đã hoà tan trong một lớp dịch mỏng. Và quanh bề mặt đó phải luôn có sự lưu thông — dòng khí hoặc dòng nước mới liên tục thay thế dòng cũ, nếu không nồng độ khí hai bên màng sẽ nhanh chóng cân bằng và khuếch tán tự nhiên dừng lại.

Bốn kiểu bề mặt trao đổi khí trong giới động vật

Da làm bề mặt trao đổi khí ở giun đất và một số loài lưỡng cư: toàn bộ bề mặt cơ thể tham gia trao đổi khí trực tiếp, cần được giữ ẩm liên tục nên chỉ phù hợp với môi trường ẩm hoặc với cơ thể nhỏ, có tỉ lệ diện tích trên thể tích đủ lớn.

Mang (gill) là bề mặt trao đổi khí của cá và nhiều loài sống dưới nước: nhiều phiến mang mỏng, xoè rộng trong dòng nước liên tục chảy qua, vừa tăng diện tích vừa duy trì lưu thông.

Ống khí (tracheae) là hệ thống ống phân nhánh của côn trùng, dẫn không khí đi thẳng từ lỗ thở ngoài cơ thể tới tận từng tế bào — gần như không cần máu vận chuyển khí, khác hẳn ba kiểu bề mặt còn lại.

Phổi (lungs) là bề mặt trao đổi khí của các động vật có xương sống sống trên cạn — bò sát, chim, thú — nằm gọn bên trong cơ thể, được bảo vệ khỏi khô và tổn thương, trong khi vẫn được máu tưới dồi dào để mang khí đi khắp cơ thể.

Không khí đi thẳng tới tế bào mà gần như không cần máu vận chuyển — khác hẳn cách mang cá hay phổi thú chuyển khí vào máu trước.

Bốn kiểu bề mặt đều thoả bốn tiêu chí chung (lớn, mỏng, ẩm, lưu thông), nhưng đạt được chúng theo bốn cách khác nhau.

Ví dụ

So sánh bốn bề mặt trao đổi khí: da, mang, ống khí, phổi

1
Hãy so sánh bốn bề mặt trao đổi khí — da, mang, ống khí, phổi — theo môi trường sống phù hợp, cách duy trì độ ẩm, và cách duy trì lưu thông.

Bề mặt	Môi trường phù hợp	Duy trì độ ẩm	Duy trì lưu thông
Da	Ẩm ướt, hoặc cơ thể nhỏ	Tiếp xúc trực tiếp môi trường ẩm	Không có cơ chế riêng, phụ thuộc môi trường
Mang	Dưới nước	Luôn ngập trong nước	Dòng nước chảy qua liên tục
Ống khí	Trên cạn, cơ thể nhỏ (côn trùng)	Nằm sâu trong cơ thể	Cử động cơ thể bơm không khí qua ống
Phổi	Trên cạn	Nằm bên trong, có dịch nhầy bảo vệ	Cơ hô hấp bơm không khí ra vào

| Bề mặt | Môi trường phù hợp | Duy trì độ ẩm | Duy trì lưu thông | |---|---|---|---| | Da | Ẩm ướt, hoặc cơ thể nhỏ | Tiếp xúc trực tiếp môi trường ẩm | Không có cơ chế riêng, phụ thuộc môi trường | | Mang | Dưới nước | Luôn ngập trong nước | Dòng nước chảy qua liên tục | | Ống khí | Trên cạn, cơ thể nhỏ (côn trùng) | Nằm sâu trong cơ thể | Cử động cơ thể bơm không khí qua ống | | Phổi | Trên cạn | Nằm bên trong, có dịch nhầy bảo vệ | Cơ hô hấp bơm không khí ra vào |

3
Ta có bốn bề mặt đều thoả bốn tiêu chí chung — lớn, mỏng, ẩm, lưu thông — nhưng mỗi bề mặt đạt được các tiêu chí đó theo cách phù hợp với đúng môi trường sống của nhóm động vật mang nó.
4
Vậy không có bề mặt trao đổi khí nào tốt hơn tuyệt đối; mỗi kiểu chỉ hiệu quả khi đặt đúng môi trường mà nó thích nghi.

Ví dụ

Vì sao côn trùng dùng ống khí thường có kích thước cơ thể nhỏ (dạng đề kiểm tra)

1
Phần lớn côn trùng có kích thước cơ thể khá nhỏ so với động vật có xương sống. Hãy giải thích mối liên hệ giữa điều này với hệ hô hấp bằng ống khí của chúng.
2
Ta có ở phần lớn côn trùng, oxygen tới tế bào chủ yếu bằng khuếch tán dọc theo ống khí, gần như không có máu vận chuyển oxygen hỗ trợ thêm cho các mô ở sâu bên trong. (1)
3
Vì hiệu quả khuếch tán giảm rất nhanh khi khoảng cách tăng lên, nếu cơ thể côn trùng quá lớn, các mô nằm sâu bên trong sẽ không nhận đủ oxygen kịp thời cho hoạt động sống. (2)
4
Kết hợp (1) và (2), hệ ống khí chỉ có thể cung cấp đủ oxygen cho một cơ thể có kích thước giới hạn nhất định. Vậy kích thước cơ thể tương đối nhỏ của phần lớn côn trùng gắn liền với giới hạn của chính hệ hô hấp bằng ống khí mà chúng sử dụng.

Sai lầm thường gặp

Một nhầm lẫn hay gặp là nghĩ 'phổi luôn hiệu quả hơn mang' vì phổi có ở những động vật 'tiến hoá cao hơn'. Thực ra hiệu quả phụ thuộc vào môi trường: mang phù hợp với môi trường nước, nơi mật độ oxygen hoà tan thấp hơn nhiều so với không khí, nên cần diện tích và lưu lượng nước lớn; phổi phù hợp với môi trường không khí giàu oxygen hơn hẳn. Nếu đem một con cá lên cạn, các phiến mang mỏng manh của nó dính bết lại với nhau, mất gần hết diện tích tiếp xúc, và ngạt thở dù không khí xung quanh giàu oxygen hơn nước rất nhiều.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Một bề mặt trao đổi khí hiệu quả luôn: diện tích lớn, mỏng, ẩm, và luôn lưu thông. Bốn nhóm động vật đạt các tiêu chí đó theo bốn cách khác nhau — da (giun đất, một số lưỡng cư), mang (cá, dưới nước), ống khí (côn trùng, dẫn khí thẳng tới tế bào), phổi (bò sát, chim, thú, trên cạn).

Trong bốn kiểu bề mặt vừa học, mang và phổi đạt hiệu quả trao đổi khí cao nhất, nhờ cách chúng duy trì lưu thông đặc biệt tinh vi. Bài sau đi sâu vào cơ chế khiến mang cá và phổi chim đặc biệt hiệu quả, và so sánh với phổi thú.