Podwójne oddychanie – jak oddychają ptaki?

Podczas omawiania cech charakterystycznych kręgowców, kiedy pytam moich kursantów – które z zagadnień sprawia im najwięcej problemów – praktycznie zawsze słyszę jedną odpowiedź: “proces oddychania i wentylacji płuc u ptaków”. Wiedząc, że jest to trudne i problematyczne zagadnienie, w tym wpisie postaram się je rozjaśnić i przedstawić w bardzo zrozumiały sposób.

Budowa układu oddechowego u ptaków

Olbrzymie koszty energetyczne lotu i podtrzymania wysokiej temperatury małego ptasiego organizmu wymagają szybkiej i efektywnej produkcji ATP, wydzielania energii, a więc m.in. wielkiej sprawności aparatu wymiany gazów. Aparat ten u ptaków jest złożony przede wszystkim z płuc i worków powietrznych. Taki system oddechowy jest czymś jedynym w swoim rodzaju w świecie zwierząt.

Rys. Budowa układu oddechowego ptaków.
źródło: Podręcznik Biologia tom 2, wydawnictwo PWN

Płuca ptaków są małe, dość sztywne, rurkowate i nieruchome. Worki powietrzne to cienkie błoniaste struktury, które częściowo wnikają do kości pneumatycznych, do jamy ciała i między mięśnie. Rolą worków jest regulacja mechanizmu oddychania podczas spoczynku ptaka, zmniejszają one też ciężar ptaków, współdziałają również przy zachowaniu odpowiedniej ciepłoty ciała i umożliwiają oddychanie przy unieruchomionej w czasie lotu klatce piersiowej.

Wentylacja płuc ptaków

1) Powietrze pobrane z zewnątrz podczas wdechu kierowane jest przez oskrzela główne do grupy worków tylnych, natomiast do rozszerzających się w tym czasie worków przednich napływa to powietrze, które dotychczas znajdowało się w płucach;

2) Następujący potem wydech przemieszcza powietrze z worków tylnych do płuc;

3) Stąd podczas kolejnego wdechu, powietrze z płuc przepychane jest do worków przednich;

4) Następny wydech prowadzi do usunięcia na zewnątrz z worków przednich tego powietrza, które zostało pobrane w cyklu poprzednim.

Rys. Etapy wentylacji płuc u ptaków

Jak widzisz, przejście jednej porcji powietrza przez cały układ oddechowy ptaka wymaga dwóch kolejnych cykli wdechowo-wydechowych. Dzięki temu powietrze przepływa przez płuca ptaka zarówno podczas wdechu jak i wydechu. Taki mechanizm nosi nazwę podwójnego oddychania.

Dodatkowo trzeba pamiętać, że powietrze przez płuca zawsze płynie od tyłu do przodu. Stwarza to szczególnie korzystną sytuację dla wymiany gazowej, bowiem przepływ krwi i powietrza w płucach ptaków ma charakter zbliżony do przeciwprądowego, obserwowanego w skrzelach ryb. U ptaków jest on określany jako przepływ poprzeczno-prądowy.

Oddychanie podczas spoczynku i lotu ptaków

Gdy ptak nie lata, jego klatka piersiowa przy oddychaniu rozszerza się i opuszcza. Duża ruchomość klatki piersiowej u ptaków podczas spoczynku jest możliwa dzięki pracy mięśni międzyżebrowych i specyficznie zbudowanej klatce piersiowej.  Należy tu zwrócić uwagę na fakt, że żebra ptaków są połączone z mostkiem i składają się z dwóch części: kręgowej i mostkowej. Obie części żeber są połączone ruchomo. Dodatkowo część kręgowa żeber zaopatrzona jest w haczyki.

*Na rysunku A przedstawiono budowę fragmentu klatki piersiowej, a na rysunku B – zmiany w położeniu szkieletu klatki piersiowej podczas wentylacji płuc ptaka. Obszar zacieniony na rysunku B przedstawia położenie klatki piersiowej na koniec wydechu, natomiast obszar niezacieniony – pozycję klatki piersiowej pod koniec wdechu
Źródło: Arkusz maturalny CKE Maj 2018

Podczas wdechu skurcz mięśni wdechowych (międzyżebrowych) powoduje przesunięcie się mostka ku dołowi i w przód oraz rozszerzenie żeber względem siebie. W tym momencie zwiększa się zatem objętość klatki piersiowej, wytwarzając przy tym podciśnienie zasysające powietrze do płuc i worków powietrznych.

Wydech może być wynikiem biernego rozluźniania napiętych uprzednio mięśni wdechowych. Klatka piersiowa zmniejsza swoją objętość co powoduje wzrost ciśnienia, a przez to wyciskane jest powietrze z dróg oddechowych, płuc i worków powietrznych na zewnątrz.

*Animacja: Wentylacja płuc ptaków podczas spoczynku
źródło: https://www.techpedia.pl/

Podczas lotu, wskutek napięcia mięśni piersiowych i haczyków pomiędzy żebrami, klatka piersiowa ptaków jest unieruchomiona i oddychanie odbywa się za pomocą worków powietrznych.

Przy każdym podniesieniu skrzydeł rozciągają się one mechanicznie i napełniają powietrzem. Przy opuszczaniu skrzydeł worki zwężają się i powietrze poprzez płuca uchodzi na zewnątrz.

Dzięki takiej współpracy ruchów skrzydeł ze zmianami objętości worków powietrznych, ptakom w czasie lotu nigdy nie zagraża brak powietrza. Im silniej poruszają skrzydłami, tym więcej powietrza dostarczane jest do płuc, a wymiana gazowa zachodzi u nich bardziej efektywnie.

Efektywność podwójnego oddychania u ptaków

Aby docenić doskonałość mechanizmu podwójnego oddychania u ptaków, należy przypomnieć sobie pojemność życiową płuc człowieka która wynosi około 4,5 dm³, zaś jego przeciętny wdech ok 0,5 dm³. Jak widzisz w naszych płucach przy jednym oddechu zaledwie około 10% powietrza zostaje wymienione na świeże, zaś blisko 90% objętości stanowi zalegające tam stale powietrze zużyte. W płucach ptaka takiego zalegającego, zużytego powietrza nie ma w ogóle.

Wymienione wyżej, szczególne cechy układu oddechowego ptaków sprawiają, że wyjątkowo wydajnie mogą one wykorzystywać tlen zawarty w powietrzu przepływający przez płuca. Dzięki temu mogą one odbywać loty w bardzo trudnych do oddychania warunkach np. przelot nad wysokimi górami, gdzie ciśnienie tlenu jest bardzo niskie i gdzie przebywanie człowieka bez maski tlenowej jest niemożliwe.

Mam nadzieje, że udało mi się w przystępny dla Ciebie sposób przedstawić budowę i mechanizm oddychania u ptaków  i to zagadnienie nie będzie Ci już sprawiać problemu 😊

Jeśli jednak potrzebujesz nieco mocniej zgłębić temat to zapraszam do skorzystania z moich lekcji nagranych. Omawiam na nich zarówno zagadnienia związane z ptakami jak i z każdą inną tematyką wymaganą na maturze.

Nazywam się Ania Gajos i od 6 lat współtworzę Powtórkę z biologii. Z wykształcenia jestem nauczycielem biologii i pomagam uczniom w przygotowaniach do matury z biologii. Z moich lekcji online skorzystały już tysiące osób i dziś możesz spotkać ich na uczelniach zarówno w Polsce jak i za granicą 😉 Jeśli więc chcesz nauczyć się biologii i dobrze przygotować do matury to zapraszam do skorzystania z moich lekcji.

Zobacz inne artykuły z tego numeru