Кислород. 
Естествознание

Кислород является основой энергетических процессов в живом организме. Механизм газообмена основан на диффузии кислорода и углекислого газа в сторону их меньшей концентрации.

В водной среде организмы используют кислород, растворенный в воде. Количество кислорода в воде невелико и часто является ограничивающим фактором для существования живых организмов. Одноклеточные и низшие беспозвоночные животные дышат через поверхность тела. Для эффективности такого газообмена необходимы малые размеры или, но крайней мере, тонкое тело, как у плоских червей. Органы внешнего дыхания — наружные жабры — представлены структурами с большой поверхностью, складчатые, покрытые тонким эпителием. Для транспортировки растворенных газов в клетки и ткани одновременно с жабрами в ходе эволюции у многощетинковых червей появляется кровеносная система. У рыб жаберный аппарат организован так, что вода активно проталкивается сквозь систему жаберных лепестков, на поверхности которых происходит газообмен. Активизация газообмена возможна при использовании течений или быстрого плавания, когда само движение создает условия для проталкивания воды через жабры, если рыба плывет с открытым ртом.

В условиях дефицита кислорода у многих видов рыб сформировались приспособления к использованию атмосферного кислорода. Чтобы предохранить поверхности газообмена от высыхания, для него используются закрытые пространства, например, стенки ротовой или околожаберной полости. У некоторых рыб газообмен происходит в коже (илистый прыгун), кишечнике (южноамериканский сомик), плавательном пузыре (панцирная щука) или в специальном выросте пищевода — легком (двоякодышащие и кистеперые рыбы).

Фактором, лимитирующим газообмен в воздушной среде, является сухость воздуха. В кровь может поступать кислород только в растворенном виде, поэтому главное условие газообмена в воздушной среде заключается в поддержании дыхательной поверхности во влажном состоянии. Основным принципом дыхания в воздушной среде является размещение поверхностей газообмена внутри тела, где большое число слизистых клеток поддерживают высокую влажность.

У беспозвоночных животных можно найти множество таких примеров. Наземные моллюски дышат с помощью мантийной полости, стенки которой богаты кровеносными сосудами. У сухопутных крабов жабры расположены в замкнутом пространстве под панцирем. У насекомых и паукообразных, дышащих с помощью трахей, газообмен происходит в самом конце этой тоненькой трубочки, иногда он бывает заполнен жидкостью.

У большинства наземных позвоночных механизм дыхания представлен чередующимися фазами вдоха и выдоха, что связано с задачей сохранения влажности. Амфибии имеют парные легкие с гладкими или слегка ячеистыми поверхностями и, вследствие этого, с очень небольшой поверхностью газообмена. Поэтому в дыхании активное участие принимают влажная кожа и ротоглоточная полость. Активизация легочного дыхания связана с увеличением поверхности газообмена и интенсификацией вентиляции легких. У рептилий мощность дыхательных движений объясняется наличием грудной клетки и межреберной мускулатуры, изменяющей ее объем и эффективно вентилирующей легкие. Внутреннее строение также усложняется. Легкие приобретают губчатое строение, что значительно увеличивает суммарную поверхность газообмена. Некоторые ящерицы, хамелеоны и змеи па задней части легких имеют тонкостенные пальцевидные выросты — воздушные мешки. В них газообмен не происходит. Запасенный в них воздух обеспечивает вентиляцию легких при нырянии и при длительном нахождении в пищеводе крупной пищи, которая пережимает дыхательные пути.

Млекопитающие имеют легкие альвеолярного строения. Газообмен происходит в тонкостенных пузырьках — альвеолах, оплетенных кровеносными капиллярами. Их большое число дает резкое увеличение поверхности газообмена. При сокращении объема грудной клетки за счет движений грудных мышц и дополнительной мышечной перегородки — диафрагмы — альвеолы сжимаются, и воздух из них выходит. В трахее, бронхах и бронхиолах газообмен не происходит, они не изменяют свой объем при дыхательных движениях, поэтому в них всегда остается воздух. Это «мертвый» воздух, в котором почти нет кислорода. Вдыхаемый из вне воздух смешивается с «мертвым», в результате чего в альвеолы попадает воздух, содержащий примерно 14% кислорода (в атмосферном воздухе около 21% кислорода). Переход кислорода в кровь осуществляется до тех пор, пока его концентрация в воздухе и крови не сравняется. Таким образом, в кровь попадает всего половина от 14% кислорода, т. е. 7% или только 1/3 от содержащегося в атмосфере.

Легкие птиц не эластичны и не сжимаются при дыхательных движениях. Они состоят из тонких трубочек — парабронхов, которые через более крупные метабронхи сообщаются с воздушными мешками, подразделяющимися на передние и задние. При изменении объема грудной клетки изменяется объем воздушных мешков, но не легких. Во время вдоха наружный воздух поступает в расширяющиеся задние воздушные мешки. Передние мешки, расширяясь, насасывают отработанный воздух из легких, которые заполняются через трахею и бронхи свежим воздухом. При выдохе передние воздушные мешки, сжимаясь, отдают отработанный воздух через бронхи и трахею наружу, а задние воздушные мешки выталкивают воздух в легкие. Таким образом, легкие птиц не только при вдохе и выдохе заполняются свежим воздухом, но, что важнее, воздух по ним проходит все время в одном направлении. По всей длине парабронха он оплетается кровеносными капиллярами, в которых кровь течет в противоположном движению воздуха направлении. При этом на всем протяжении воздух контактирует с кровью, содержащей меньше кислорода. Однонаправленный поток воздуха, проходя по парабронхам, постепенно теряет кислород и насыщается углекислым газом. В результате выдыхаемый птицей воздух практически не содержит кислород. Таким образом, в кровь попадает весь атмосферный кислород!