Spis treści

Wprowadzenie

Przeczytaj

Grafika interaktywna

Sprawdź się

Dla nauczyciela

Przystosowania w budowie i fizjologii układu oddechowego do lotu i nurkowania

Nurkujący perkoz dwuczuby (Podiceps cristatus).

Źródło: Dick Smit, Flickr, licencja: CC BY-ND 2.0.

Lot i nurkowanie wymagają odpowiedniego przystosowania układu oddechowego do ich wykonywania. Układ oddechowy ptaków jest jednym z najbardziej skomplikowanych wśród wszystkich zwierząt – jego budowa pozwala zmniejszyć ciężar ciała ptaka oraz ułatwia oddychanie w czasie lotu. Natomiast układ oddechowy morskich ptaków i ssaków umożliwia im długotrwałe nurkowanie na jednym wdechu. Najdłużej potrafi nurkować wal Cuviera (Ziphius cavirostris)  – do 137 min, z ptaków zaś pingwin cesarski (Aptenodytes forsteri) – ok. 20 min.

Twoje cele

- Omówisz przystosowania układu oddechowego zwierząt latających do lotu.

- Omówisz przystosowania układu oddechowego zwierząt nurkujących do nurkowania.

- Wyjaśnisz, dlaczego zarówno zwierzęta latające, jak i nurkujące potrzebują jak największej ilości tlenu przy każdym wdechu.

Przeczytaj

Układ oddechowy jest niezbędny do przeżycia. Jego ewolucja zachodziła wraz z ewolucją zwierząt – po ich wyjściu na ląd pęcherz pławny ryb dał początek płucom. Zwierzęta lądowe zaadaptowały się do oddychania tlenem atmosferycznym, dlatego nie są w stanie przeżyć w wodzie bez zapasu powietrza. Niektóre z nich, np. walenie, przystosowały się jednak wtórnie do środowiska wodnego. Nie wykształciły na nowo skrzeli, lecz ich układy oddechowe dostosowały swoje działanie do warunków życia w wodzie.

Również wykształcenie umiejętności latania – przez ptaki i nietoperze – wiązało się z wieloma zmianami anatomicznymi, także w budowie i fizjologii układu oddechowego.

Zwierzęta latające

Ptaki

Konieczność pokonania siły grawitacji sprawia, że lot to czynność wymagająca dużego wysiłku. Z tego powodu ptaki muszą dostarczyć do mięśni jak największą ilość tlenu. W tym celu wykształciły podwójne oddychanie.

Mechanizm podwójnego oddychania polega na wtłaczaniu powietrza przy wdechu nie tylko do płuc, ale i do połączonych z nimi tylnych worków powietrznych. W płucach następuje wymiana gazowa, a zapas świeżego powietrza przechowywany jest w workach.

Jednocześnie do przednich worków przetłoczone zostaje zużyte powietrze z płuc. Przy kolejnym wydechu zużyte powietrze z przednich worków powietrznych jest usuwane na zewnątrz ciała. Zmagazynowane świeże powietrze z worków tylnych trafia natomiast do płuc, gdzie znów następuje wymiana gazowa. Mechanizm ten sprawia, że wymiana gazowa u ptaków następuje zarówno przy wdechu, jak i przy wydechu. Oznacza to stały dopływ tlenu do tkanek i stałe odbieranie z nich dwutlenku węgla, co pozwala mięśniom na intensywną, nieprzerwaną pracę konieczną do lotu.

Płuca ptaków to system bardzo dobrze ukrwionych rurek, w których powietrze może przepływać wyłącznie w kierunku od tyłu do przodu. Są niewielkie, a także sztywne, co sprawia, że nie zmieniają objętości podczas wymiany gazowej – gdyby nie to, przy wydechu ich objętość bardzo by się zmniejszała i podwójne oddychanie stałoby się nieefektywne (nie byłby wówczas możliwy przepływ powietrza w jednym kierunku).

Układ oddechowy ptaków ułatwia im lot również w inny sposób. Worki powietrzne wnikają do niektórych kości, co skutkuje zmniejszeniem masy ciała ptaka, a także chroni go przed wychłodzeniem i urazami mechanicznymi (powietrze działa tu jednocześnie jako izolacja i amortyzacja).

Grafika przedstawia budowę płuc ptaków i ich umiejscowienie w ciele ptaka. Składają się one z tchawicy – cienkiej rurki, która łączy płuca z dziobem. W budowie płuc możemy wyróżnić worki powietrzne przednie, znajdujące się bliżej głowy oraz worki powietrzne tylne, znajdujące się za nimi. Mają one formę worków o nieregularnym kształcie połączonych z płucami. Worki powietrze składają się z oskrzeli II-rzędowych. Mają one formę długich rurek, przez które przepływa powietrze.

Zasób oparty o element wizualny.

1

2

3

4

5

6

1

Tchawica

2

Płuca

3

Worki powietrzne przednie

4

Worki powietrzne tylne

5

Oskrzele II–rzędowe

6

Oskrzele II–rzędowe

Płuca ptaków mają budowę rurkowatą. Drobne oskrzela tworzące system odgałęzień oskrzeli głównych układają się równolegle względem siebie.

Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Nietoperze

Zwierzęta nurkujące

Walenie

Poza brakiem tlenu atmosferycznego środowisko wodne charakteryzuje się jeszcze jedną właściwością, do której w toku ewolucji musiały się przystosować walenie – ciśnieniem wzrastającym wraz z głębokością i osiągającym bardzo wysokie wartości. By płuca tych ssaków nie zostały zgniecione, mają objętość proporcjonalnie mniejszą niż u zwierząt lądowych.

Jednak mniejsza objętość płuc skutkuje mniejszym zapasem powietrza możliwym do zabrania pod wodę. Aby to zrekompensować, większa ilość tlenu magazynowana jest w tkankach – z tego powodu krew waleni zawiera, w przeliczeniu na kilogram masy ciała, kilkukrotnie więcej hemoglobiny i mioglobiny niż u ludzi.

Kaszalot spermacetowy (Physeter macrocephalus) nurkuje na głębokość nawet 1500 m, podczas gdy okręty podwodne implodują już na kilkuset metrach pod powierzchnią.

Źródło: Gabriel Barathieu, Wikimedia Commons, licencja: CC BY-SA 2.0.

Foki

Słownik

hemoglobina

czerwony, zawierający żelazo barwnik białkowy rozpuszczony w osoczu krwi (np. u pijawek) lub znajdujący się w erytrocytach (u kręgowców); zdolny do przenoszenia tlenu i dwutlenku węgla w organizmie dzięki nietrwałemu łączeniu się z nimi

implozja

zjawisko polegające na zgnieceniu danego obiektu przez panujące wokół niego bardzo wysokie ciśnienie, znacznie przekraczające wartość ciśnienia w jego wnętrzu

mioglobina

białko odbierające tlen z krwi i magazynujące go w mięśniach szkieletowych oraz mięśniu sercowym

worki powietrzne

uchyłki dróg oddechowych u ptaków; stanowią system komór wypełniających się powietrzem i magazynujących je; działają też jako amortyzatory i izolatory termiczne

Grafika interaktywna

Przystosowania kaszalota spermacetowego do nurkowania

Grafika przedstawia schemat budowy kaszalota spermacetowego. Przewody nosowe to długie rurki znajdujące się koło spermacetu. Podczas nurkowania zimna woda wypełnia przewody nosowe, ochładzając spermacet. W efekcie zwiększa on swoją gęstość, co pomaga przy zanurzaniu się. Po usunięciu wody z przewodów nosowych spermacet ogrzewa się pod wpływem ciepła ciała kaszalota. Staje się wówczas mniej gęsty, a to ułatwia wynurzanie. Spermacet to półpłynna substancja występująca w głowie kaszalota, w zbiorniku nad prawym przewodem nosowym. Dzięki zmianom swojej gęstości pomaga kaszalotowi w nurkowaniu. Mózg kaszalota znajduje się w tyle jego czaszki, za spermacetem. Krew dopływająca do mózgu jest filtrowana przez specjalne naczynia krwionośne, tworzące tzw. sieć dziwną, która otacza mózg kaszalota. Kaszalot posiada duże naczynia krwionośne, znajdujące się w kręgosłupie. Kiedy obniża się poziom tlenu we krwi, dochodzi do centralizacji krążenia (zapewniony jest dopływ tlenu do mózgu i innych dużych organów). Mniejsze naczynia krwionośne odchodzą od dużych naczyń krwionośnych. Kaszalot ma dużą objętość krwi krążącej, bogatej w hemoglobinę, dzięki czemu tlen może być dostarczany do całego ciała. Płetwa jest dwupłatowa i ma dużą powierzchnię, dzięki czemu kaszalot sprawnie się porusza i zanurza. Mięśnie zawierają mioglobinę. Magazynuje ona tlen, na który znacząco wzrasta zapotrzebowanie podczas nurkowania. Ruchoma klatka żebrowa pozwala na łatwe zapadanie się płuc podczas nurkowania, co ogranicza pobieranie azotu. Dzięki sercu, przy zanurzaniu tętno zwalnia i dochodzi do chwilowej bradykardii. Płuca są narządem wymiany gazowej, która zachodzi efektywnie dzięki ich dużej objętości. Do sztywnej tchawicy z zapadniętych płuc ucieka gaz – przede wszystkim azot – co zapobiega jego wchłanianiu do krwi.

Zasób oparty o element wizualny.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

1

Przewody nosowe

Podczas nurkowania zimna woda wypełnia przewody nosowe, ochładzając spermacet. W efekcie zwiększa on swoją gęstość, co pomaga przy zanurzaniu się. Po usunięciu wody z przewodów nosowych spermacet ogrzewa się pod wpływem ciepła ciała kaszalota. Staje się wówczas mniej gęsty, a to ułatwia wynurzanie.

2

Spermacet

Półpłynna substancja występująca w głowie kaszalota, w zbiorniku nad prawym przewodem nosowym. Dzięki zmianom swojej gęstości pomaga kaszalotowi w nurkowaniu.

3

Mózg

Krew dopływająca do mózgu jest filtrowana przez specjalne naczynia krwionośne, tworzące tzw. sieć dziwną, która otacza mózg kaszalota.

4

Duże naczynia krwionośne

Kiedy obniża się poziom tlenu we krwi, dochodzi do centralizacji krążenia (zapewniony jest dopływ tlenu do mózgu i innych dużych organów).

5

Mniejsze naczynia krwionośne

Kaszalot ma dużą objętość krwi krążącej, bogatej w hemoglobinę, dzięki czemu tlen może być dostarczany do całego ciała.

6

Płetwa

Jest dwupłatowa i ma dużą powierzchnię, dzięki czemu kaszalot sprawnie się porusza i zanurza.

7

Mięśnie

Zawierają mioglobinę. Magazynuje ona tlen, na który znacząco wzrasta zapotrzebowanie podczas nurkowania.

8

Żebra

Ruchoma klatka żebrowa pozwala na łatwe zapadanie się płuc podczas nurkowania, co ogranicza pobieranie azotu.

9

Serce

Przy zanurzaniu tętno zwalnia i dochodzi do chwilowej bradykardii.

10

Płuca

Płuca są narządem wymiany gazowej, która zachodzi efektywnie dzięki ich dużej objętości.

11

Tchawica

Do sztywnej tchawicy z zapadniętych płuc ucieka gaz – przede wszystkim azot – co zapobiega jego wchłanianiu do krwi.

Budowa kaszalota spermacetowego (Physeter macrocephalus).

Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Polecenie 1

Przeanalizuj grafikę interaktywną i podaj dwa przykłady przystosowania narządów kaszalota do nurkowania.

Polecenie 2

Wyjaśnij, w jaki sposób zmiany gęstości spermacetu ułatwiają kaszalotowi nurkowanie i wynurzanie się.

Sprawdź się

Pokaż ćwiczenia:

Ćwiczenie 1

Zaznacz prawidłową odpowiedź. Implozja to...

Zaznacz prawidłową odpowiedź.

- wybuch następujący w wyniku gwałtownego przebiegu reakcji chemicznych lub łańcuchowych reakcji jądrowych.

- zagnieżdżenie się zarodka ssaków (z wyjątkiem stekowców) i człowieka w błonie śluzowej macicy w początkowej fazie ciąży.

- zjawisko polegające na zgnieceniu danego obiektu przez panujące wokół niego bardzo wysokie ciśnienie, znacznie przekraczające wartość ciśnienia w jego wnętrzu.

Ćwiczenie 2

Z jakiej części ciała ryb powstały płuca zwierząt lądowych?

Zaznacz prawidłową odpowiedź.

- Z wieczek skrzelowych

- Z pęcherza pławnego

- Ze skrzeli

- Z gardzieli

Ćwiczenie 3

Zaznacz prawdziwe stwierdzenia na temat przystosowań fok do nurkowania.

Zaznacz prawidłowe odpowiedzi.

- Odruch nurkowania polega na automatycznym obniżeniu tętna, kiedy zwierzę nurkuje.

- W płucach fok przechowywane jest 5% tlenu, natomiast we krwi – 70%.

- Odruch nurkowania polega na automatycznym podwyższeniu tętna, kiedy zwierzę nurkuje.

- W płucach fok przechowywane jest 36% tlenu, natomiast we krwi – 51%.

Ćwiczenie 4

Uszereguj w odpowiedniej kolejności etapy podwójnego oddychania u ptaków – od jednego wdechu do drugiego.

- Poziom 1:Przy wdechu powietrze jest wtłaczane do płuc i tylnych worków powietrznych.

- Poziom 2:Jednocześnie do przednich worków powietrznych przetłoczone zostaje zużyte powietrze z płuc.

- Poziom 3:Zmagazynowane świeże powietrze z worków tylnych trafia do płuc, gdzie znów następuje wymiana gazowa.

- Poziom 4:W płucach następuje wymiana gazowa, a zapas świeżego powietrza przechowywany jest w tylnych workach.

- Poziom 5:Przy wydechu zużyte powietrze z worków przednich zostaje usunięte na zewnątrz.

Ćwiczenie 5

Pingwin cesarski (Aptenodytes forsteri) może spędzić pod wodą ponad 20 minut na jednym wdechu. Podczas nurkowania stosuje jedną z dwóch dostępnych mu strategii gospodarowania tlenem. W pierwszej dopływ krwi do mięśni zostaje całkowicie odcięty, w drugiej zmniejsza się ukrwienie narządów wewnętrznych i cała utlenowana krew zostaje przekierowana do mięśni.

Na podstawie powyższych informacji oraz własnej wiedzy przyporządkuj podane opisy do odpowiedniej strategii gospodarowania tlenem u pingwina cesarskiego: pierwszej lub drugiej.

Strategia pierwsza

Strategia druga

Przenieś element.Zwierzę korzysta z tej strategii podczas pogoni za ławicą ryb.

Przenieś element.Pingwin musi szybciej wynurzać się z wody.

Przenieś element.Utrzymuje się dotlenienie serca i mózgu.

Przenieś element.Ta strategia zmniejsza ukrwienie narządów wewnętrznych, dotleniając mięśnie.

Przenieś element.Pingwin korzysta z zasobów tlenu zmagazynowanych przez mioglobinę.

Przenieś element.Wskutek powstającego kwasu mlekowego zwierzę musi długo odpoczywać.

Przenieś element.Po pewnym czasie pingwin przechodzi na oddychanie beztlenowe.

Ćwiczenie 6

U ptaków zarówno przy wdechu, jak i wydechu przez płuca przepływa świeże powietrze. Na schemacie przedstawiono jeden z etapów oddychania u tych zwierząt.

Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Na podstawie analizy schematu zaznacz prawidłowe dokończenie zdania oraz właściwe uzasadnienie.

Na schemacie przedstawiono   wdech

wdech

wydech

wydech

,

ponieważ

wejście z oskrzeli głównych do worków wdechowych jest zamknięte

wejście z oskrzeli głównych do worków wdechowych jest zamknięte

wejście z oskrzeli do płuc jest otwarte

wejście z oskrzeli do płuc jest otwarte

wejście z oskrzeli głównych do worków wydechowych jest otwarte

wejście z oskrzeli głównych do worków wydechowych jest otwarte

,

a

świeże powietrze tłoczone jest do płuc i worków przednich

świeże powietrze tłoczone jest do płuc i worków przednich

zużyte powietrze magazynowane jest w workach przednich

zużyte powietrze magazynowane jest w workach przednich

niezużyte powietrze z worków tylnych przechodzi do płuc

niezużyte powietrze z worków tylnych przechodzi do płuc

.

Ćwiczenie 7

Na każdej wysokości tlen zajmuje ok. 21% objętości powietrza. Wraz ze wzrostem wysokości nad poziomem morza powietrze staje się rzadsze i chłodniejsze. Maleje ciśnienie atmosferyczne oraz ciśnienie parcjalne tlenu.

Przy ciśnieniu powietrza na poziomie morza równym 760 mm Hg ciśnienie parcjalne tlenu wynosi 159 mm Hg. Na wysokości 5000 m n.p.m. ciśnienie powietrza wynosi 390 mm Hg, a ciśnienie parcjalne – 82 mm Hg. W takich warunkach swobodna dyfuzja tlenu z pęcherzyków do krwi jest ograniczona (maleje gradient ciśnień parcjalnych tlenu). Powyżej 5800 m n.p.m. długotrwałe przebywanie człowieka bez dodatkowej porcji tlenu nie jest możliwe.

Wyjaśnij, dlaczego ludzie z trudem pobierają tlen, gdy wspinają się na najwyższe szczyty Himalajów, a gęsi tybetańskie bez problemu przelatują nad szczytami Himalajów na wysokości ok. 9000 m n.p.m.

W odpowiedzi uwzględnij mechanizm podwójnego oddychania oraz różnicę ciśnień parcjalnych tlenu w pęcherzykach płucnych i krwi ptaka.

Ćwiczenie 8

Mioglobina jest białkiem występującym w mięśniach poprzecznie prążkowanych. Podobnie jak hemoglobina ma zdolność nietrwałego wiązania tlenu. W tkance mięśniowej poprzecznie prążkowanej stanowi jego magazyn.

Na wykresie przedstawiono powinowactwo hemoglobiny i mioglobiny do tlenu.

Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Wyjaśnij, jakie znaczenie dla zwierząt aktywnie pływających i nurkujących ma duża zawartość mioglobiny w mięśniach. W odpowiedzi uwzględnij rolę mioglobiny oraz informacje przedstawione na wykresie.

Dla nauczyciela

Autor: Anna Juwan

Przedmiot: Biologia

Temat: Przystosowania w budowie i fizjologii układu oddechowego do lotu i nurkowania

Grupa docelowa: uczniowie III etapu edukacyjnego – kształcenie w zakresie rozszerzonym

Podstawa programowa:

Zakres rozszerzony

Treści nauczania – wymagania szczegółowe

XI. Funkcjonowanie zwierząt.

2. Porównanie poszczególnych czynności życiowych zwierząt, z uwzględnieniem struktur odpowiedzialnych za ich przeprowadzanie.

3) Wymiana gazowa i krążenie. Uczeń:

c) podaje przykłady narządów wymiany gazowej, wskazując grupy zwierząt, u których występują,

Kształtowane kompetencje kluczowe:

- kompetencje cyfrowe;

- kompetencje osobiste, społeczne i w zakresie umiejętności uczenia się;

- kompetencje matematyczne oraz kompetencje w zakresie nauk przyrodniczych, technologii i inżynierii.

Cele operacyjne (językiem ucznia):

- Omówisz przystosowania układu oddechowego zwierząt latających do lotu.

- Omówisz przystosowania układu oddechowego zwierząt nurkujących do nurkowania.

- Wyjaśnisz, dlaczego zarówno zwierzęta latające, jak i nurkujące potrzebują jak największej ilości tlenu przy każdym wdechu.

Strategie nauczania:

- konstruktywizm;

- konektywizm.

Metody i techniki nauczania:

- z użyciem komputera;

- ćwiczenia interaktywne;

- prezentacja;

- analiza grafiki interaktywnej;

- gra dydaktyczna;

- mapa pojęć;

- analiza tekstu źródłowego.

Formy pracy:

- praca indywidualna;

- praca w parach;

- praca w grupach;

- praca całego zespołu klasowego.

Środki dydaktyczne:

- komputery z głośnikami, słuchawkami i dostępem do internetu;

- zasoby multimedialne zawarte w e-materiale;

- tablica interaktywna/tablica, pisak/kreda.

Przed lekcją:

1. Uczniowie zapoznają się z treścią w sekcji „Przeczytaj”.

2. Dwóch chętnych uczniów pozyskuje samodzielnie informacje dotyczące przystosowań w budowie zwierząt do nurkowania i latania i przygotowuje prezentacje na ten temat. Prezentacje powinny obejmować materiał ilustracyjny (i ewentualnie filmowy) spoza e-materiału.

Przebieg lekcji

Faza wstępna:

1. Nauczyciel wyświetla cele zajęć z sekcji „Wprowadzenie”, a następnie wspólnie z uczniami ustala kryteria sukcesu.

Faza realizacyjna:

1. Prezentacje uczniów. Część właściwa lekcji zaczyna się od prezentacji efektów pracy w domu wybranych uczniów. Pozostali uczniowie zadają pytania prezentującym oraz uzupełniają informacje.

2. Praca z treścią e-materiału. Uczniowie dzielą się na grupy i na podstawie przeczytanego tekstu oraz informacji przedstawionych podczas prezentacji układają pytania do quizu dla innych zespołów. Nauczyciel wraz z uczniami określa zasady rywalizacji i punktowania dobrych odpowiedzi (np. gra na czas lub na liczbę poprawnych odpowiedzi). Następnie przygotowana gra zostaje przeprowadzona w klasie. Nauczyciel lub wybrany uczeń dba o prawidłowy przebieg quizu zgodnie z wcześniejszymi ustaleniami. Nauczyciel ogłasza zwycięską grupę.

3. Praca z multimedium („Grafika interaktywna”). Nauczyciel wyświetla grafikę interaktywną i wspólnie z uczniami dokonuje jej analizy. Prosi podopiecznych, by pracując w parach, wyjaśnili, w jaki sposób zmiany gęstości spermacetu ułatwiają kaszalotowi nurkowanie i wynurzanie się. Następnie uczniowie konsultują swoje rozwiązania z inną, najbliżej siedzącą parą.

4. Uczniowie w parach, inspirując się grafiką interaktywną przedstawiającą przystosowania kaszalota spermacetowego do nurkowania, wykonują rysunek przedstawiający budowę dowolnego zwierzęcia latającego i wskazują na nim elementy stanowiące przystosowania do latania.

5. Utrwalenie wiedzy i umiejętności. Uczniowie w parach wykonują ćwiczenie nr 7 (w którym mają za zadanie wyjaśnić – w odniesieniu do tekstu źródłowego – dlaczego ludzie z trudem pobierają tlen, gdy wspinają się na najwyższe szczyty Himalajów, a gęsi tybetańskie przelatują na wysokości ok. 9000 m n.p.m., z uwzględnieniem mechanizmu podwójnego oddychania oraz różnicy ciśnień parcjalnych tlenu w pęcherzykach płucnych i krwi ptaka) z sekcji „Sprawdź się”. Następnie porównują swoje odpowiedzi z najbliżej siedzącymi sąsiadami. Nauczyciel w razie trudności naprowadza podopiecznych na właściwe rozwiązania lub wyjaśnia wątpliwości.

Faza podsumowująca:

1. Klasa wspólnie wykonuje mapę pojęć podsumowującą zajęcia.

2. Nauczyciel wyświetla na tablicy temat lekcji i cele zawarte w sekcji „Wprowadzenie”. W tym kontekście dokonuje podsumowania najważniejszych informacji przedstawionych na lekcji oraz wyjaśnia wątpliwości uczniów.

Praca domowa:

1. Wykonaj ćwiczenia od 1 do 6 z sekcji „Sprawdź się”.

Materiały pomocnicze:

- Neil A. Campbell i in., „Biologia Campbella”, tłum. K. Stobrawa i in., Rebis, Poznań 2019.

- „Encyklopedia szkolna. Biologia”, red. Marta Stęplewska, Robert Mitoraj, Wydawnictwo Zielona Sowa, Kraków 2006.

Dodatkowe wskazówki metodyczne:

- Multimedium zamieszczone w sekcji „Grafika interaktywna” można wykorzystać w fazie wstępnej zajęć, w celu wzbudzenia zaciekawienia uczniów.

Table of Contents

Wprowadzenie

Przeczytaj

Grafika interaktywna

Sprawdź się

Dla nauczyciela