Bài học

Các cơ quan trao đổi khí ở động vật

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em nêu được bốn đặc điểm chung của một bề mặt trao đổi khí hiệu quả, và xác định đúng cơ quan trao đổi khí chính của giun đất, cá, côn trùng, và thú.

Kiến thức nền cần nhớ

Ở hai bài trước, em đã học cách thực vật trao đổi khí qua khí khổng — một cấu trúc rất mỏng, ẩm, và có diện tích tiếp xúc lớn so với thể tích lá (same-grade bridge). Động vật không có khí khổng, nhưng nguyên tắc vật lí đằng sau việc trao đổi khí thì giống hệt nhau, dù cơ quan thực hiện rất khác nhau giữa các loài.

Khởi động

Giun đất không có phổi, không có mang, cũng không có mũi — vậy nó thở bằng gì? Còn một con châu chấu, dù có máu chảy khắp cơ thể, máu của nó lại gần như không tham gia vận chuyển khí — vậy oxygen tới từng tế bào của châu chấu bằng cách nào?

Kiến thức trọng tâm

Dù cơ quan trao đổi khí ở mỗi loài trông rất khác nhau, tất cả đều hoạt động theo cùng một nguyên tắc vật lí: khí di chuyển từ nơi có nồng độ cao sang nơi có nồng độ thấp — gọi là khuếch tán — qua một bề mặt trao đổi khí. Để khuếch tán diễn ra đủ nhanh nuôi sống cả cơ thể, bề mặt đó cần bốn đặc điểm: diện tích đủ rộng so với kích thước cơ thể, thành mỏng để khí đi qua nhanh, luôn ẩm ướt vì khí phải hoà tan vào lớp chất lỏng mỏng trước khi khuếch tán qua màng tế bào, và có nhiều mạch máu hoặc đường dẫn khí bao quanh để vận chuyển khí đi tiếp, giữ cho chênh lệch nồng độ luôn được duy trì.

Giun đất trao đổi khí qua toàn bộ bề mặt da. Da giun đất luôn được giữ ẩm nhờ lớp chất nhầy tiết ra, mỏng, và có mạng mao mạch dày đặc ngay sát dưới lớp biểu bì — đủ để đáp ứng cả bốn đặc điểm trên dù cơ thể không có một cơ quan hô hấp riêng biệt nào. Cách này chỉ hiệu quả với cơ thể nhỏ và dài, vì tỉ lệ diện tích da so với thể tích cơ thể còn đủ lớn; một con vật to hơn nhiều sẽ không thể trao đổi đủ khí chỉ qua da.

Cá sống trong nước dùng mang — gồm nhiều phiến mang mỏng, xếp sát nhau, luôn ngập trong dòng nước chảy qua và có mạng mao mạch bao quanh dày đặc. Côn trùng lại đi theo hướng hoàn toàn khác: một hệ thống ống khí nhỏ dẫn không khí trực tiếp từ các lỗ thở trên thân tới tận từng tế bào, nên máu của côn trùng gần như không cần vận chuyển khí. Thú và chim dùng phổi, bên trong chứa hàng trăm triệu phế nang — những túi khí cực nhỏ — tạo ra tổng diện tích bề mặt trao đổi khí lớn hơn hẳn diện tích ngoài da của cùng con vật, bao quanh bởi mạng mao mạch dày đặc.

Dù cơ quan khác nhau, tất cả đều thoả bốn đặc điểm của một bề mặt trao đổi khí hiệu quả: rộng, mỏng, ẩm, nhiều mạch máu hoặc đường dẫn khí.

Ví dụ

Ghép bốn động vật với cơ quan trao đổi khí và kiểm tra bốn đặc điểm

1
Ghép mỗi động vật sau với cơ quan trao đổi khí chính của nó, rồi chỉ ra đặc điểm nào trong bốn đặc điểm chung được thể hiện rõ nhất: giun đất, cá rô phi, châu chấu, con mèo.
2
Giun đất trao đổi khí qua da; cá rô phi qua mang; châu chấu qua ống khí; con mèo qua phổi.
3
Da giun đất và mang cá đều là những cấu trúc mỏng, luôn được giữ ẩm — da nhờ chất nhầy, mang nhờ ngâm trong nước — thể hiện rõ hai đặc điểm mỏng và ẩm.
4
Phổi mèo có hàng trăm triệu phế nang tạo diện tích cực rộng với mạng mao mạch dày đặc; ống khí châu chấu tuy không có mạch máu bao quanh nhưng lại dẫn khí trực tiếp tới tận từng tế bào, thay thế luôn vai trò vận chuyển của máu.
5
Vậy cả bốn cơ quan — da, mang, ống khí, phổi — đều đáp ứng đủ bốn đặc điểm trao đổi khí hiệu quả, chỉ khác nhau ở cách đạt được từng đặc điểm.

Ví dụ

Vì sao giun đất chết nếu bị mắc kẹt trên nền đất khô lâu ngày (dạng đề kiểm tra)

1
Một con giun đất bị đưa lên mặt đất khô, có nắng, trong nhiều giờ. Sau đó giun đất chết dù không hề bị thương. Giải thích nguyên nhân.
2
Da giun đất chỉ trao đổi khí được khi bề mặt da còn ẩm ướt, vì khí phải hoà tan vào lớp chất nhầy trước khi khuếch tán qua da vào máu.
3
Nền đất khô và có nắng làm lớp chất nhầy trên da giun bốc hơi nhanh, khiến da khô dần theo thời gian bị mắc kẹt.
4
Khi da khô hẳn, khí không còn hoà tan được vào bề mặt da nữa, quá trình khuếch tán oxygen vào cơ thể giun gần như dừng lại, dù ngoài môi trường vẫn còn đủ oxygen trong không khí.
5
Vậy giun đất chết không phải vì thiếu oxygen trong không khí, mà vì da bị khô mất khả năng hoà tan khí — đúng theo đặc điểm 'ẩm ướt' bắt buộc của một bề mặt trao đổi khí hiệu quả.

Sai lầm thường gặp

Một nhầm lẫn thường gặp là nghĩ côn trùng cũng dùng máu để vận chuyển khí giống các loài khác, vì côn trùng vẫn có hệ tuần hoàn. Thực ra ống khí của côn trùng dẫn không khí trực tiếp tới từng tế bào qua một mạng ống chia nhỏ dần, nên máu côn trùng gần như không tham gia vận chuyển khí — khác hẳn cá hay thú, nơi máu là khâu bắt buộc để đưa khí đi khắp cơ thể.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Mọi cơ quan trao đổi khí — da, mang, ống khí, phổi — đều phải rộng, mỏng, ẩm, và có nhiều mạch máu hoặc đường dẫn khí để khuếch tán diễn ra đủ nhanh. Loài nào dùng cơ quan nào phụ thuộc vào môi trường sống và kích thước cơ thể của loài đó.

Trong bốn cơ quan vừa học, mang và phổi phục vụ hai môi trường rất khác nhau — nước và không khí. Bài tiếp theo so sánh trực tiếp hai cơ quan này để thấy vì sao cá cần một cơ chế đặc biệt mà con người không cần.