Bài học

Hô hấp ở cá, chim và thú

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải thích được cơ chế dòng chảy ngược chiều ở mang cá, thông khí một chiều nhờ túi khí ở phổi chim, và thông khí hai chiều ở phổi thú, đồng thời so sánh được hiệu quả trao đổi khí của ba kiểu thông khí này.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước đã học bốn tiêu chí của một bề mặt trao đổi khí hiệu quả (same-grade bridge): diện tích lớn, mỏng, ẩm, và luôn lưu thông. Bài này đào sâu đúng tiêu chí cuối cùng — luôn lưu thông — và cho thấy ba cách lưu thông khác nhau tạo ra ba mức hiệu quả rất khác nhau, dù cả ba đều thoả ba tiêu chí đầu như nhau.

Khởi động

Một con cá và một con chim đều cần oxygen để sống, nhưng cách 'hít thở' của chúng khác nhau hoàn toàn: nước chảy một chiều qua mang cá, còn không khí đi qua phổi chim theo một vòng gần như khép kín chứ không đơn thuần ra vào như ở người. Điều gì khiến hai cách lưu thông này trở nên đặc biệt hiệu quả?

Kiến thức trọng tâm

Dòng chảy ngược chiều ở mang cá

Nước chảy qua các phiến mang theo một hướng, trong khi máu bên trong mao mạch của chính phiến mang đó lại chảy theo hướng ngược lại. Nhờ chảy ngược chiều, tại bất kì điểm nào dọc phiến mang, nồng độ oxygen trong máu luôn thấp hơn nồng độ oxygen trong dòng nước đi qua ngay tại điểm đó — nghĩa là một chênh lệch nồng độ thuận lợi cho khuếch tán được duy trì trên suốt chiều dài phiến mang, chứ không chỉ ở đoạn đầu.

Đường nước luôn nằm trên đường máu tại mọi vị trí — chênh lệch nồng độ được duy trì suốt chiều dài phiến mang, nên khuếch tán tiếp diễn từ đầu tới cuối. Đây là đường cong minh hoạ nguyên lí, không phải số liệu đo đạc từ một thí nghiệm cụ thể.

Thông khí một chiều ở phổi chim

Phổi chim gắn với một hệ thống túi khí phía trước và phía sau phổi, hoạt động như một cặp ống bễ. Không khí đi qua phổi theo đúng một chiều trong cả lúc hít vào lẫn lúc thở ra, nhờ túi khí chứa tạm không khí và luân chuyển nó qua phổi theo trình tự hai nhịp thở liên tiếp, thay vì để không khí ra vào cùng một đường như ở thú. Kiểu thông khí này phù hợp với nhu cầu oxygen rất cao khi bay, đặc biệt ở độ cao có mật độ oxygen thấp.

Thông khí hai chiều ở phổi thú

Ở thú, không khí ra vào phổi qua cùng một hệ thống đường dẫn — khí quản, phế quản, tiểu phế quản — nên luôn có một phần không khí cũ, đã giảm oxygen, còn lưu lại trong đường dẫn và trộn lẫn với luồng khí mới hít vào ở nhịp thở tiếp theo. Cách thông khí hai chiều này kém hiệu quả hơn thông khí một chiều của chim, nhưng vẫn hoạt động tốt nhờ diện tích phế nang rất lớn và mạng mao mạch bao quanh dày đặc.

Cùng thoả bốn tiêu chí của một bề mặt trao đổi khí hiệu quả, nhưng ba cách lưu thông khác nhau tạo ra ba mức hiệu quả khác nhau.

Ví dụ

So sánh ba kiểu thông khí: mang cá, phổi chim, phổi thú

1
Hãy so sánh ba kiểu thông khí — dòng chảy ngược chiều ở mang cá, thông khí một chiều ở phổi chim, thông khí hai chiều ở phổi thú — theo kiểu dòng khí/nước, mức hiệu quả trao đổi khí, và lý do phù hợp với lối sống.

Kiểu thông khí	Kiểu dòng	Hiệu quả trao đổi khí	Phù hợp lối sống
Mang cá	Nước và máu chảy ngược chiều nhau	Rất cao, chênh lệch nồng độ duy trì suốt chiều dài	Môi trường nước, mật độ oxygen hoà tan thấp
Phổi chim	Khí đi một chiều nhờ túi khí	Cao, ít khí cũ tồn đọng	Nhu cầu oxygen rất cao khi bay, kể cả ở độ cao
Phổi thú	Khí ra vào cùng một đường dẫn	Vừa phải, khí cũ trộn khí mới mỗi nhịp thở	Bù lại bằng diện tích phế nang và mạng mao mạch lớn

| Kiểu thông khí | Kiểu dòng | Hiệu quả trao đổi khí | Phù hợp lối sống | |---|---|---|---| | Mang cá | Nước và máu chảy ngược chiều nhau | Rất cao, chênh lệch nồng độ duy trì suốt chiều dài | Môi trường nước, mật độ oxygen hoà tan thấp | | Phổi chim | Khí đi một chiều nhờ túi khí | Cao, ít khí cũ tồn đọng | Nhu cầu oxygen rất cao khi bay, kể cả ở độ cao | | Phổi thú | Khí ra vào cùng một đường dẫn | Vừa phải, khí cũ trộn khí mới mỗi nhịp thở | Bù lại bằng diện tích phế nang và mạng mao mạch lớn |

3
Ta có cả ba kiểu đều thoả các tiêu chí diện tích lớn, mỏng, ẩm như nhau; khác biệt về hiệu quả tổng thể chủ yếu tới từ cách chúng duy trì lưu thông và tránh (hoặc không tránh được) hiện tượng khí cũ tồn đọng.
4
Vậy trong ba kiểu thông khí, dòng chảy ngược chiều ở mang cá và thông khí một chiều ở phổi chim đạt hiệu quả cao hơn thông khí hai chiều ở phổi thú, vì cả hai đều hạn chế được hiện tượng khí cũ pha trộn với khí mới.

Ví dụ

Vì sao dòng chảy ngược chiều hiệu quả hơn dòng chảy cùng chiều (dạng đề kiểm tra)

1
Giả sử mang cá có nước và máu chảy cùng chiều nhau thay vì ngược chiều như thực tế. Hãy giải thích vì sao cách sắp xếp này sẽ lấy được ít oxygen hơn.
2
Ta có ở đoạn đầu, nước mới vào rất giàu oxygen còn máu mới vào rất nghèo oxygen, nên chênh lệch nồng độ ban đầu rất lớn, khuếch tán diễn ra nhanh. (1)
3
Nhưng vì hai dòng chảy cùng hướng, nồng độ oxygen trong máu và trong nước nhanh chóng tiến gần nhau khi cùng đi tới cuối phiến mang — một khi hai nồng độ gần bằng nhau, khuếch tán gần như dừng lại dù phiến mang vẫn còn dài. (2)
4
Ở dòng chảy ngược chiều, máu luôn 'gặp' phần nước còn giàu oxygen hơn chính nó tại mọi vị trí, nên chênh lệch nồng độ được duy trì trên suốt chiều dài phiến mang chứ không tắt dần như ở dòng cùng chiều. (3)
5
Kết hợp (1), (2), (3): dòng chảy cùng chiều chỉ khai thác được chênh lệch nồng độ lớn ở đoạn đầu rồi mất tác dụng ở đoạn sau, còn dòng chảy ngược chiều khai thác chênh lệch nồng độ trên toàn bộ chiều dài. Vậy tổng lượng oxygen mang lấy được từ nước, tính trên cùng một chiều dài phiến mang, luôn nhiều hơn nếu chảy ngược chiều so với chảy cùng chiều.
Kết hợp (1), (2), (3): dòng chảy cùng chiều chỉ khai thác được chênh lệch nồng độ lớn ở đoạn đầu rồi mất tác dụng ở đoạn sau, còn dòng chảy ngược chiều khai thác chênh lệch nồng độ trên toàn bộ chiều dài. Vậy tổng lượng oxygen mang lấy được từ nước, tính trên cùng một chiều dài phiến mang, luôn nhiều hơn nếu chảy ngược chiều so với chảy cùng chiều.

Sai lầm thường gặp

Một nhầm lẫn hay gặp là nghĩ phổi chim và phổi thú hoạt động giống hệt nhau, chỉ khác nhau ở kích thước. Thực ra hai hệ thống khác nhau cả về đường đi của khí: nhờ hệ túi khí, không khí đi một chiều liên tục qua phổi chim trong cả hai nhịp thở, còn ở thú không khí phải ra vào qua cùng một đường dẫn, luôn để lại một phần khí cũ pha trộn với khí mới. Đây là khác biệt về cơ chế, không đơn thuần là khác biệt về kích thước cơ thể.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Dòng chảy ngược chiều ở mang cá và thông khí một chiều ở phổi chim đều duy trì được chênh lệch nồng độ oxygen liên tục, cho hiệu quả trao đổi khí cao. Thông khí hai chiều ở phổi thú để khí cũ trộn khí mới mỗi nhịp thở, kém hiệu quả hơn, nhưng vẫn đủ dùng nhờ diện tích phế nang và mạng mao mạch rất lớn.

Từ tiêu hoá tới hô hấp, năm bài vừa qua đều xoay quanh một câu hỏi chung: cùng một vấn đề sinh tồn, những nhóm động vật khác nhau giải quyết bằng những cấu trúc khác nhau như thế nào. Bài ôn tập sau sẽ ghép lại toàn bộ bức tranh đó.