органы дыхания, может ли крокодил дышать под водой
Крокодил – один из самых опасных хищников на Земле, поэтому раньше его исследование являлось сложной задачей. Но в наше время учёные уже могут подробно объяснить, чем дышит крокодил, как он устроен и почему не является синонимом слова «аллигатор».
Содержание материала:
- 1 Особенности строения крокодила
- 2 Ареал
- 3 Может ли хищник дышать под водой
- 4 Чем дышит животное, органы дыхания
Особенности строения крокодила
Внешний вид хищника демонстрирует высокую приспособленность к водной среде обитания. У крокодила приплюснутая сверху и снизу голова, вытянутая в длину и заострённая морда. Это уменьшает трение о воду и повышает скорость плавания. Туловище с толстой кожей и роговыми щитками оканчивается длинным сильным хвостом, также приплюснутым, но уже с боков. Такая форма нужна для более эффективных гребков, ведь хвост – основной двигатель при подводных передвижениях.
Короткие ноги снабжены пятью пальцами на передних конечностях и четырьмя на задних. На суше они растопырены и создают обманчивое впечатление неловкости и неповоротливости. В длину хищник достигает 5,5 метра.
Интересная особенность строения крокодила – наличие солеотводящих желез в глазах. Они работают так же, как и аналогичные органы человека. Отсюда и возникло выражение «крокодиловы слёзы».
Watch this video on YouTube
Из-за схожего внешнего облика эти рептилии часто путают с аллигаторами, которые на самом деле являются другим семейством, хотя и принадлежат к одному с крокодилами отряду. Последние лучше развиты, а отличить их проще всего по торчащим зубам, которые у аллигаторов прикрыты. И также морды крокодилов более заострены, их окрас светлее, а голова приподнята немного выше.
Ареал
Крокодилы – полуводные животные, поэтому всегда находятся в водоёмах или у их границ. Большинство из них предпочитают пресную среду, но и большая концентрация соли им не страшна.
Организм успешно приводит в норму даже сильный водно-солевой дисбаланс, поэтому данных пресмыкающихся можно встретить не только в реках и озёрах, но и в районе морских берегов.
Лучшие климатические условия для этих животных – жара и дожди, поэтому они обитают в тропиках, субтропиках, а также в районе экватора. Эти области включают такие континенты, как Африка, северная часть Австралии, обе Америки. Встречаются крокодилы и в Японии, Гватемале, на Филиппинах и некоторых других островах указанных климатических поясов.
Может ли хищник дышать под водой
Если речь идёт о глубоком погружении, то, безусловно, крокодил не может вдохнуть, находясь полностью под водой. Для нормального функционирования этому пресмыкающемуся нужен кислород, выделенный из воздуха. При погружении животное задерживает дыхание на нужное время — обычно не более получаса. Если же снаружи поджидает опасность или есть другая необходимость долго оставаться на дне, то хищник понижает свою активность до минимума, чтобы выдержать без дыхания до 3 часов.
Есть и другой вариант: когда тело животного погружено, а край морды с ноздрями находится на поверхности. Это достигается путём раскрытия пасти. В ротовую полость набирается вода, но органы дыхания устроены у рептилии таким образом, что он способен вдохнуть через ноздри даже с полной пастью воды. Этого не может ни одно млекопитающее или птица.
Чем дышит животное, органы дыхания
Как и другие пресмыкающиеся, данный хищник получает кислород из воздушной среды. Дыхательная система весьма отличительна и очень подходит для его образа жизни.
Одна из главных особенностей крокодила – отделение ротовой полости от носоглоточного прохода благодаря вторичному костному нёбу. Носовые полости (хоаны) тоже необычны: они проходят через всю вытянутую морду и почти достигают глотки, а также обладают крупными придаточными пазухами. Их функции окончательно неясны, но исследователи предполагают, что они служат резонаторами.
Между ртом и глоткой присутствует нёбная завеска – плотный клапан, не позволяющей воде просочиться в дыхательные пути, а потом и в лёгкие крокодила.
В свою очередь, отверстия (ноздри) для приема воздуха тоже снабжены клапанами. При опускании на дно они рефлекторно закрываются, защищая от проникновения жидкости внутрь.
В трахею воздух попадает по носоглоточному ходу. Сама трубчатый орган состоит из 2 бронхов, соединённых с лёгкими большого объёма. Их размер не только позволяет запасти много кислорода для погружения, но и служит аналогом плавательного пузыря у рыб. Лёгкие крокодила позволяют ему лучше управлять своим телом в воде. Это происходит благодаря сокращениям окололёгочных мышц, перегоняющих воздух (а, значит, и центр плавучести) из стороны в сторону. В процессе участвует в том числе и диафрагма, образованная тканями между поверхностью органов дыхания, печенью и желудком, а также печёночный насос, который, в свою очередь, соединён с тазом.
Таким образом, всё тело крокодила – это сложный механизм, в котором органы дыхания играют не только роль посредника между внешней средой и клетками, но и координатора движений.
Как крокодил задерживает дыхание под водой, когда часами сидит в засаде? Отвечают зоологи
НовостиНаука
- Фото
- Jana Telenska / Alamy
Международная команда под руководством зоологов из Университета Небраски (США) разгадала тайну крокодилов.
Крупные пресмыкающиеся подкласса архозавров могут на длительное время погружаться в мутные воды, поджидая жертву. Они нападают из-под воды, как только животное приближается, чтобы попить. Затем хищник тащит добычу на глубину, где та неизбежно захлебнется. Но не сам крокодил.
Предыдущие исследования выяснили, что секрет рептилии в наноскопических «аквалангах», в роли которых выступают гемоглобины. Они медленно разносят кислород из легких по тканям, что позволяет обходиться без воздуха. Однако биологи не могли понять, почему крокодилы оказались единственными из всех челюстных позвоночных, которые развили такое умение делать максимально эффективный вдох.
Новое исследование построили на сравнении схемы гемоглобина из трех источников:
от архозавра возрастом 240 млн лет — предка всех птиц и крокодилов;
от общего предка крокодилов возрастом 80 млн лет;
от последнего общего предка всех птиц.
Все они были восстановлены с помощью биохимических принципов в лаборатории.
Уникальные свойства гемоглобина крокодила оказались обусловлены 21 взаимосвязанной мутацией.
«Эта сложность и многочисленные побочные эффекты, которые может вызвать любая мутация в гемоглобине, проложили эволюционный путь, настолько запутанный, что природа не смогла проследить его даже за десятки миллионов лет», — рассказал Джей Сторц, старший автор исследования из Университета Небраски.
Как поясняют ученые, любой гемоглобин связывается с кислородом в легких, чтобы затем разнести его по кровотоку к тканям. Но у большинства позвоночных эта способность гемоглобина определена органическими фосфатами — молекулами, которые прикрепляются к гемоглобину.
У крокодилов же роль фосфатов взяли на себя бикарбонаты — продукты распада углекислого газа. Так как ткани вырабатывают большое его количество, то система распределения кислорода по тканям у рептилий становится суперэффективной. Она обеспечивает механизм медленного высвобождения и длительного использования запасов кислорода «на борту».
Ева Белецкая
По материалам портала EurekAlert!
Теги
- животные
Сегодня читают
Тест на образованность: только 7% людей смогут правильно ответить на эти 5 вопросов
Эта задачка взбодрит ваш мозг лучше чашки кофе: найдите трех свинок без колпака
Старинная немецкая задачка на внимательность: найдите осла на картинке за 7 секунд
Задачка из детства: переместите 2 спички, чтобы получить 3 треугольника
Только гении смогут решить эту математическую задачку: вставьте пропущенное число в круг
Как крокодилы так долго остаются под водой?
Истории хранителей
Ной К.
5 марта 2020 г.
Привет от Чешуйчатого, Склизкого и Зрелищного! Первый вид, с которым вы столкнетесь при входе в Scaly Slimy Spectacular (пока вы не спускаете глаз), — это два западноафриканских крокодила с тонкими мордами ( Mecistops cataphractus ). Причина, по которой у вас могут возникнуть проблемы с обнаружением двух наших крокодилов (Мечи и Бабу), заключается в том, что они проводят много времени под водой. На самом деле, крокодилы могут часами находиться под водой, не поднимаясь на поверхность, чтобы глотнуть воздуха. Я лично наблюдал, как самка морского крокодила провела под водой почти два часа. Так как же крокодилы (к которым относятся все виды крокодилов, аллигаторов, кайманов и гавиалов) способны совершать этот удивительный подвиг? Горстка физиологических приспособлений позволяет крокодилам оставаться под водой, включая специализированное сердце и уникальную метаболическую систему. Давайте рассмотрим каждую из этих адаптаций, чтобы лучше понять.
Сердце у крокодилов четырехкамерное, как у людей! И точно так же, как кровеносная система у людей, сердце забирает обессоженную кровь из организма, направляет ее в легкие для насыщения кислородом, кровь возвращается к сердцу, откуда она затем перекачивается к остальным частям тела. Довольно просто. Но если вы крокодил, погруженный под воду, кого волнует, течет ли у вас кровь в легкие? После короткого периода времени под водой кислород в легких заканчивается (в любом случае крокодилы обычно выдыхают воздух, чтобы утонуть). У крокодилов есть небольшое отверстие, называемое отверстием Паницца, между левой и правой аортой сердца. Пропустив весь технический жаргон, это означает, что кровь НЕ должна без необходимости поступать в легкие, когда крокодил находится под водой. Частота сердечных сокращений может упасть всего до 2–3 ударов в минуту, что позволяет экономить энергию в виде снижения клеточного дыхания. Интересно, что эта же адаптация также связана с эффективным пищеварением. Богатая кислородом кровь также доставляется к тем частям тела, которые больше всего в ней нуждаются.
Как объяснялось ранее, клеточное дыхание (тип метаболической реакции) снижается из-за снижения частоты сердечных сокращений и устранения ненужного притока крови к легким. Однако крокодилы могут выполнять свои самые напряженные физические нагрузки, вообще не используя кислород — процесс, называемый анаэробным дыханием. Представьте, что вы голодный крокодил, затаивший дыхание под водой, и как раз в тот момент, когда вам нужно всплыть, чтобы вдохнуть, чтобы клетки вашего тела могли насытиться кислородом, вот ничего не подозревающее вкусное млекопитающее свисает с дерева над вашей головой. Вам нужно будет выпрыгнуть из воды, чтобы достать его, используя всю мощь своего лишенного кислорода мышечного хвоста. И как только вы его получите, вам нужно будет вернуть его под воду, чтобы обеспечить успех. Нет времени для большего количества кислорода. У вас есть энергия, чтобы сделать это? К счастью, энергия, используемая в этом событии, не требует кислорода, если вы крокодил. Используемая энергия будет получена от гликолиза, который позволяет крокодилам дать полный толчок, даже когда их мышечные клетки работают на пустом месте.
Все эти удивительные приспособления позволяют крокодилам долгое время оставаться под водой. Могут быть даже дополнительные эволюционные адаптации, которые еще предстоит обнаружить у крокодилов, поэтому в зоопарке Атланты есть целый исследовательский отдел, который тесно сотрудничает с членами команды по уходу за животными для изучения подобных тем. Так что в следующий раз, когда вы увидите Меси и Бабу под водой, вы можете рассказать своим друзьям, как они могут оставаться под водой так долго.
Хранитель II, Герпетология
Как крокодил так долго задерживает дыхание?
В пятницу мы рассмотрели удивительные способности некоторых людей и животных задерживать дыхание. (См. «В задержке дыхания Кейт Уинслет и крокодил — чемпионы».) Актриса Кейт Уинслет может задерживать дыхание на семь с четвертью минут.
Однако крокодил может задерживать дыхание на несколько часов. Как он это делает?
Что касается дыхательной системы, то у крокодила, как и у птицы, воздушный поток односторонний, как на беговой дорожке, где воздух входит в трахею и движется только в одном направлении через разные бронхи, чтобы выйти. Мисс Уинслет использует приливное дыхание, при котором воздух входит в трахею и бронхи и выходит по одному и тому же пути. Кроме того, крокодил, как и большинство птиц, по-видимому, способен запасать кислород в мешковидных структурах. Кроме того, когда он ныряет под воду, крокодил может использовать некоторые из своих мышц, чтобы двигать легкими, чтобы помочь. Трудно определить, имеет ли крокодил большую емкость легких, чем человек. Но даже несмотря на то, что кое-что из этого может дать ему некоторое преимущество в задержке дыхания, когда мы рассматриваем сердечно-сосудистую систему крокодила, становится очевидным, что это вряд ли сильно влияет на нее.
У крокодила уникальная сердечно-сосудистая система.
В отличие от других рептилий, у которых трехкамерное сердце, у крокодила четырехкамерное сердце, как и у нас, но с изюминкой. Вместо одной аорты, которая направляет насыщенную кислородом кровь из левого желудочка в системные артерии, у крокодилов две аорты.
У него есть правая аорта, выходной тракт из левого желудочка, который направляет насыщенную кислородом кровь к системным артериям, в основном к мозгу и конечностям. Но его правый желудочек имеет два пути оттока. Одним из них является общий легочный ствол, который посылает деоксигенированную кровь в легкие, как и у Кейт. А другой посылает деоксигенированную кровь через левую аорту, которая идет в его кишечник и печень. Однако сразу за пределами сердца, за правым и левым аортальными клапанами, есть канал, называемый отверстием Паницца, который позволяет сообщаться правой и левой аортам.
Когда крокодил дышит воздухом, большая часть дезоксигенированной крови, выходящей из правого желудочка, попадает в общий легочный ствол, а небольшое количество — в левую аорту.
Когда крокодил находится под водой (не дышит), это приводит к срабатыванию зубчатого клапана, который перекрывает общий легочный ствол, тем самым направляя большую часть деоксигенированной крови через левую аорту. Дезоксигенированная кровь из левой аорты проходит через отверстие Паницца в правую аорту, питая кровью мозг и другие ткани.
Другими словами, когда крокодил задерживает дыхание под водой, потому что его легкие не выполняют большой работы, зубчатый клапан перекрывает большую часть притока крови к ним, что увеличивает объем циркулирующей крови к остальной части его тела. , тем самым поддерживая адекватный кровоток. Но мы должны иметь в виду, что эта отведенная кровь представляет собой смесь насыщенной кислородом и деоксигенированной крови.
Пауза для анализа
Если сравнивать крокодила с Кейт, различия в их дыхательной и сердечно-сосудистой системах вряд ли объяснят, как крокодил может задерживать дыхание так долго. Может быть, большие легкие, способные хранить немного воздуха, односторонний поток воздуха и мышцы, улучшающие функцию легких, могут помочь. Но поскольку зубчатый клапан автоматически перекрывает большую часть притока крови к легким крокодила, когда он находится под водой, у этих возможных респираторных преимуществ не будет шанса сыграть значительную роль.
А как насчет переработанной деоксигенированной крови? Перекрывая большую часть притока крови к легким, чтобы удержать больше крови в большом круге кровообращения, пока крокодил находится под водой, эта дополнительная кровь, направляемая из левой аорты в правую, постоянно обеспечивает все больше и больше кислорода тем же самым тканям. . Это означает, что по мере того, как крокодил дольше остается под водой и его кровь продолжает циркулировать через одни и те же ткани, он выделяет больше кислорода, и уровень кислорода в его крови продолжает падать.
Один из ответов на эту проблему, как уже отмечалось, состоит в том, что, поскольку крокодил находится в более глубокой и холодной воде и является хладнокровным, скорость его метаболизма (потребность в кислороде) намного ниже, и поэтому менее эффективный анаэробный процесс гликолиза может обеспечить некоторое энергия. Но есть еще одна хитрость, которую у крокодилов есть в рукаве, и она замечательная! Это как-то связано с уникальным гемоглобином животного.
Крокодил Гемоглобин
Помимо хладнокровия и способности использовать гликолиз, другим основным фактором, который, кажется, позволяет крокодилу оставаться под водой намного дольше, чем Кейт Уинслет, является его гемоглобин. Нет, дело не в том, что гемоглобин крокодила может переносить больше кислорода, чем наш. И дело не в том, что у крокодила более высокая концентрация гемоглобина в крови. На самом деле нормальный уровень гемоглобина у крокодила немного ниже, чем у человеческой самки.
Это были две хорошие идеи и респект, если вы о них подумали. Итак, какой аспект функции гемоглобина может помочь объяснить способность крокодила оставаться под водой так долго?
Подсказка
Если вы едете на восемнадцатиколесном грузовике с грузом материалов из доков Тампы на фабрику в Далласе, как только вы доберетесь до места назначения, что вам нужно будет сделать в последнюю очередь, чтобы закончить работу?
Ответить
Выгрузить материал.
Точно! Хотя гемоглобин Кейт и крокодила очень эффективно поглощает большое количество кислорода в капиллярах легких, они не выполнят свою работу полностью, пока не выгрузят кислород из тканей. Для выживания наличие достаточного количества гемоглобина, насыщенного кислородом в красных кровяных тельцах, накачиваемого сердечно-сосудистой системой, бесполезно до тех пор, пока этот кислород не будет выгружен в ткани, чтобы ваши клетки могли захватить его для своих энергетических потребностей.
Ваш гемоглобин не «знает», что он делает.
Дело не в том, что когда гемоглобин находится в легких, он знает, что нужно поглощать кислород, а затем, когда он находится в тканях, он знает, что должен его высвобождать. Посмотрим, как гемоглобин выполняет свою работу.
Способность гемоглобина связывать кислород связана с его формой (конфигурацией). Некоторые химические вещества, такие как ион водорода (кислота), диоксид углерода (CO 2 ) и 2,3 BPG (2,3 бифосфоглицерат), побочный продукт гликолиза фосфорорганических соединений, влияют на конфигурацию гемоглобина и, следовательно, на его сродство к кислороду.
По сравнению с тканями, в легких, где кислород легко доступен и CO 2 высвобождается из организма, кислотность намного ниже, CO 2 и 2,3 BPG. Так, в легких гемоглобин может легко схватиться и восполниться кислородом. Однако в тканях, где кислотность намного выше, CO 2 и 2,3 BPG, изменения в конфигурации гемоглобина делают его менее способным удерживать кислород, поэтому он высвобождает кислород в клетки.
Если вам интересно, вы можете прочитать это Википедия статья о кривой диссоциации кислорода и гемоглобина.
Пока Кейт Уинслет задерживала дыхание, 2,3 BPG был самым важным фактором, помогающим ее гемоглобину выделять кислород в ее ткани. На самом деле, без 2,3 BPG ее гемоглобин смог бы выделять только около 10 процентов своего кислорода, тогда как из-за него при тяжелых упражнениях он может выделять около 60 процентов. Поскольку Кейт не тренировалась интенсивно (просто задерживала дыхание), это означает, что способность ее гемоглобина выделять кислород была намного меньше, вероятно, около 30 процентов. (Примечание: насыщение артериального гемоглобина составляет 95-100 процентов, тогда как для венозного гемоглобина это 65-75 процентов. Это означает, что ткани извлекают около 25-35 процентов доступного кислорода в крови.)
С крокодилом дела обстоят совсем иначе. Как отмечалось в статье, на которую я ссылался в пятницу, исследователи определили, что «21 взаимосвязанная мутация» гемоглобина одного из древних предков крокодилов привела к снижению его сродства к кислороду, что больше не связано с органофосфатами, такими как 2,3 BPG, а с бикарбонатом.
. Другими словами, вместо того, чтобы 2,3 BPG заставлял гемоглобин выделять кислород в ткани, это бикарбонат. СО 2 легко растворяется в воде с образованием бикарбоната. Таким образом, чем лучше работает метаболизм крокодила, тем больше CO 2 и бикарбоната он образует в своих тканях, и тем больше гемоглобина крокодила может выделять кислород клеткам. Настолько, что, по оценкам, крокодил может выделять почти 100 процентов кислорода, содержащегося в его гемоглобине, в свои клетки! Но, конечно, есть предел. Когда у него фактически заканчивается кислород, а анаэробный гликолиз не может обеспечить достаточно энергии, чтобы поддерживать его жизнь, он умирает.
Это ответ на вопрос о том, как крокодил может продолжать выделять все больше и больше кислорода из все более и более дезоксигенированной крови, непрерывно рециркулирующей через его сердце, пока он находится под водой. По мере дальнейшего падения уровня кислорода и накопления в тканях большего количества CO 2 и бикарбоната его гемоглобин способен высвобождать больше кислорода.
Многие факторы действуют
Таким образом, способность крокодила задерживать дыхание намного дольше, чем Кейт, является многофакторной. Быть хладнокровным означает, что при одинаковой температуре окружающей среды и активности крокодил потребляет гораздо меньше энергии, а значит, ему нужно намного меньше кислорода, а более холодный климат просто улучшает эту способность. Хладнокровие также означает, что крокодил может некоторое время обходиться менее эффективным производством энергии гликолизом. Гемоглобин крокодила, способный выгрузить почти 100 процентов своего кислорода в свои клетки, по сравнению с только около 30 процентами для Кейт, меняет правила игры! Кроме того, когда крокодил находится под водой, его сердце способно обходить приток крови к легким, когда они не приносят новые запасы кислорода, тем самым направляя больше крови к остальным органам. Там гемоглобин каким-то образом может выделять еще больше кислорода из-за его пониженного сродства к бикарбонату. Это просто потрясающе.
Наконец, различия в дыхательной функции крокодила по сравнению с Кейт, похоже, не играют здесь существенной роли.
Вопрос причинности
Нужно задаться вопросом, откуда взялась вся информация, чтобы изготовить и собрать все части дыхательной, сердечно-сосудистой и гематологической систем, чтобы Кейт и крокодил выжили, задерживая дыхание (или не задерживая его). Тогда вы должны задаться вопросом, что составляет каждый из их механизмов контроля и откуда они знают, что они делают, чтобы сохранить жизнь Кейт и крокодилу, особенно зубчатый клапан, который автоматически перекрывает приток крови к легким крокодила, когда он идет. под водой.
А как насчет настройки каждого из их дыхательных центров, которая говорит им, когда дышать? Очевидно, поскольку человек потребляет гораздо больше энергии, чем крокодил, а наш гемоглобин не может выделять столько кислорода, дыхательный центр Кейт должен быть настроен на то, чтобы она дышала намного раньше, чем у крокодила. Другими словами, желание дышать — это не просто неприятность.
Он там, чтобы держать вас в живых. Если гемоглобин Кейт обычно высвобождает только 30 процентов своего кислорода, то ее дыхательный центр должен быть настроен на то, чтобы сказать ей вдохнуть новую порцию кислорода, прежде чем ее насыщение гемоглобина упадет ниже этого уровня. Тогда у нее буквально нет бензина в баке. Это, конечно, было бы совсем иначе для крокодила, поскольку его гемоглобин может выделять почти 100 процентов своего кислорода. Итак, в то время как дыхательный центр Кейт заставляет ее подняться на вдох в течение нескольких минут, дыхательный центр крокодила долго дремлет.
Откуда взялась информация, чтобы убедиться, что уставка для каждого из их дыхательных центров соответствует их метаболизму и сродству гемоглобина к кислороду в тканях? А как насчет того, что древние предки крокодилов развивали эту способность?
В статьях о дыхательной, сердечно-сосудистой и гематологической системах крокодилов снова и снова встречается стандартный ответ, что эволюция создала эти вещи, потому что они были необходимы для выживания.
Но этот стандартный ответ, мягко говоря, не соответствует действительности.
В нашей книге Your Designed Body мы со Стивом Лауфманном обсуждаем концепцию решения сложных проблем. Каждая из вышеупомянутых систем органов и механизмов управления представляет собой невероятно сложную проблему, требующую «полного и согласованного» решения, иначе выживание невозможно. Мы ставим вопрос: «Как можно преодолеть эти препятствия, и в то же время?» «В то же время», потому что организм должен оставаться живым и размножаться, пока решается каждая из этих сложных задач! Это приводит к Первому и Второму законам трудных задач Лауфмана, которые «покажутся опытным инженерам неопровержимыми трюизмами».
- Никакое принятие желаемого за действительное не избавит от сложной проблемы.
- Сложные проблемы требуют оригинальных решений.
Подумайте о сложности систем внутри Кейт и крокодила и о том, как они работают, чтобы поддерживать жизнь каждого из них.