Эффективность продуцирования, трахейное дыхание и размеры

[Роман Джиров]

Почему это так важно? Просто при увеличении размеров вес (и потребность в кислороде) растут в кубе, а площадь дыхательной поверхности – лишь в квадрате (то есть, отстаёт). Подсчитано, что у насекомого размером с голубя трахеи заполнили бы всё тело, не оставив место другим органам.

отставание площади от объёма - вообще проблема всего живого (собственно, будь это не так , то не было бы ни дыхательной, ни пищеварительной систем), и честно говоря не очень понятно почему трахеи должны заполнить всё тело, а того же самого не происходит с сосудами и лёгкими - трахеи ветвятся и очень сильно, стало быть дыхательная поверхность растёт - в чём проблема? Кроме того, жуки-голиафы к размеру голубя уже весьма близки, и ничего.

Трахеи подводят кислород в виде газа буквально чуть не к каждой клетке организма насекомого. При всей их дополнительной вентиляции с помощью сокращения воздушных мешков эта система занимает тем больше места, чем крупнее организм. Потому что на уровне клеток они должны быть очень тонкими , а чем ближе к поверхности, тем все толще и толще. Т.е. с увеличением размера конструкция становится все неэфективнее.

У насекомых обеспечение кислородом возможно лишь за счёт количественного увеличения дыхательной системы, в то время, как у иных беспозвоночных и позвоночных – ещё и за счёт совершенствования биохимии.

то есть?.. если речь про пигменты, то тогда подобное совершенствование возможно у нас, но никак не птиц или рыб, где использование кислорода ок. 90%. Сколько у насекомых, честно говоря не знаю, но кажется, тоже много, то есть совершенствоваться уже некуда. Если речь идёт о биохимических циклах, то насекомые тут как раз нас обставили - лактат в мышцах у них не накапливается...

Речь о гемоглобине. Лимфа насекомых переносит по организму питательные вещества, но никак не кислород. Потому трахеи так и разветвлены. Потому и не могут насекомые стать крупнее. Вот появись у них гемоглобин... Тогда мы их назвали-бы многолегочными ,что-ли. И тогда их трахеи могли-бы стать значительно короче, и не такими разветвленными. А насекомые- значительно крупнее.

[Роман Джиров]

А представьте себе ,как это неэстетично- все тело в дырках.  

почему? чем дыхальца так не эффективнее ноздрей?

Шучу. Смайлик стоит. Представьте: захотели вы чихнуть всеми дыхальцами...

тем что мы можем расширять объём за ними? а дыхательные мешки насекомым на что если не на тоже самое? а подвод к каждой клетке - так на деле разница в том, что у нас дыхательная поверхность сосредоточенна в лёгких, а у них рассеянна по всему телу. и у нас между ней и тканями вставленна кровь с её дыхательными пигментами...

Вот в этих дыхательных пигментах все и дело. И подвод к каждой клетке с помощью трахей- он совсем не ту-же площадь требует, как у легких ,а значительно большую. Можно даже так сказать ,что все тело насекомого- одно большое "легкое". В том и проблемка. Легкое должно быть компактным, чтобы быть эффективным. Если путь воздуха увеличивать, то трение тоже все увеличивается и увеличивается, и его вентиляция все хуже и хуже, и вентилировать нужно все сильнее, и бесконечно это продолжатся не может.

[DNAoidea]

Трахеи подводят кислород в виде газа буквально чуть не к каждой клетке организма насекомого. При всей их дополнительной вентиляции с помощью сокращения воздушных мешков эта система занимает тем больше места, чем крупнее организм. Потому что на уровне клеток они должны быть очень тонкими , а чем ближе к поверхности, тем все толще и толще. Т.е. с увеличением размера конструкция становится все неэфективнее.

с этим согласен, но тоже самое можно сказать и про систему лёгкие/жабры + кровь - чем больше организм, тем толще сосуды - всё равно даже у самых больших вся кровь проходит в каком-то месте через один сосуд... но аорта у синего кита не больше него самого в диаметре, даже не уверен, что её диаметр у него больше нашего пропорционально телу... вроде у него полметра, у нас кажется см 3... наоборот - самое крупное относительно сердце вроде у калибри. Ну там и обмен конечно не чета синему киту... но что-то не так... возможно дело тут в скорости кровотока - ну и соответственно у насекомых это будет эффективность нагнетания воздух в трахеи - то есть чем крупнее, тем активнее должны работать мешки... вроде так оно и есть... есть, видимо и другой фактор - в единицу объёма крови можно загнать больше кислорода чем в единицу объёма просто воздуха, но тут надо посмотреть цифры...

Шучу. Смайлик стоит. Представьте: захотели вы чихнуть всеми дыхальцами...

да уж не очень-то

Можно даже так сказать ,что все тело насекомого- одно большое "легкое". В том и проблемка. Легкое должно быть компактным, чтобы быть эффективным.

конечно! одно большое! ну и получается, что у нас объём лёгких должен быть пропорционален объёму тела (при прочих равных), а у них... объём тела пропорционален объёму тела

Если путь воздуха увеличивать, то трение тоже все увеличивается и увеличивается, и его вентиляция все хуже и хуже, и вентилировать нужно все сильнее, и бесконечно это продолжатся не может.

безусловно. Но и кровь тоже теряет с трением. И ещё как! Получается у них надо лучше вентилировать, а у нас - лучше гнать.

[Роман Джиров]

есть, видимо и другой фактор - в единицу объёма крови можно загнать больше кислорода чем в единицу объёма просто воздуха, но тут надо посмотреть цифры...

Да, и мне очень хотелось-бы цифр ,но нет их у меня... Я-то душою уверен, что так оно и есть, но я не знаю

ну и получается, что у нас объём лёгких должен быть пропорционален объёму тела (при прочих равных), а у них... объём тела пропорционален объёму тела

Да, я об этом. Смотрим: у нас к легким ведут широченные трахеи-бронхи - трение минимально, и потом воздух на коротком расстоянии разветвляется по альвеолам. Проблема трения воздуха устранена очень эффективно, можно сказать. А трение очень зависит от диаметра трубы, не линейно, а в геометрической прогрессии. Имея специализированный орган у нас решена проблема трения воздуха. Взамен имеем проблему трения жидкости, но насекомые ее тоже имеют, перекачку жидкости в их теле никто не отменял. Итого: у них 2 проблемы для крупноразмерного животного, у нас- одна. Все легче. Опять-же, при крупном размере при переносе кислорода в крови практически устраняется проблема передавливания трахей при большой их длинне, на изгибах и в мышцах- кровь- жидкость, сжатию не поддается. Нет, можно конечно передавить сосуды, жгут там наложить, но под весом самих мышц они не спадаются. Стенки сосудов могут быть тоньше и менее прочны, чем трахеи.

Но и кровь тоже теряет с трением. И ещё как! Получается у них надо лучше вентилировать, а у нас - лучше гнать.

Да, так и получается. Избавившись от одного лимитирующего фактора упираемся в следующий. Обычное дело.

[DNAoidea]

Опять-же, при крупном размере при переносе кислорода в крови практически устраняется проблема передавливания трахей при большой их длинне, на изгибах и в мышцах- кровь- жидкость, сжатию не поддается.

дело в том, что и у насекомых воздух на больше расстоянии по тонким трахеям не передаётся - сначала мешки, потом большие трубы, потом поменьше, а дальше уже трахеолы, где диффузия жидкостная, но там уже речь о долях миллиметра. а стенки трахей в самом деле жёсткие - выложены хитином. Но вроде - чтобы увеличить скорость тока, надо увеличить давление - а оно что жидкостное, что газовое... жидкость к тому же более вязкая

[Роман Джиров]

Но вроде - чтобы увеличить скорость тока, надо увеличить давление - а оно что жидкостное, что газовое... жидкость к тому же более вязкая

Где-бы найти сколько литров кислорода можно вогнать в литр крови? Самому считать сильно неохота. Без этих цифр- спорим ниочём.

[Макроассемблер]

Где-бы найти сколько литров кислорода можно вогнать в литр крови? Самому считать сильно неохота. Без этих цифр- спорим ниочём.

Заглянул в 3-ю главу "Физиологии" Шмидт-Ниельсена
В крови млекопитающих концентрация кислорода в растворенном состоянии составляет около 0,2 мл на 100 мл, а содержание O2, обратимо связанного с гемоглобином, может быть в 100 раз больше - около 20 мл на 100 мл крови.

[crdigger]

 Мало.20 мл на 100 мл - это только же ,сколько в воздухе того же объема, при том что вес и вязкость воздуха гораздо меньше.В капилляре столько же кислорода, сколько в трахее того же диаметра.Может преимущество в том,что через капилляр кровь прокачивается, а трахея кончается тупиком.

[Макроассемблер]

Мало.20 мл на 100 мл - это только же ,сколько в воздухе того же объема, при том что вес и вязкость воздуха гораздо меньше.В капилляре столько же кислорода, сколько в трахее того же диаметра.Может преимущество в том,что через капилляр кровь прокачивается, а трахея кончается тупиком.

При возрастании размеров у позвоночных циркуляцию кислорода надо осуществлять "от головы к хвосту и обратно" - продольно, а у насекомых - в глубину тела, т.е. короче. При возрастании размеров (и дистанции между мозгом и сердцем) у позвоночных нужно увеличивать давление, а у насекомых нет (есть еще гемолимфа, но это менее критично).
Выходит, в чем-то дыхательная система насекомых лучше и для крупных размеров.

[crdigger]

 Она еще и автономна для каждой трахеи : задушить таракана , взяв за горло, сложно.Кроме того, в каждом сегменте ганглий, он более автономен еще и по нервам.Проблема, что там ничего не прокачивается,так как трахея-это впячивание кутикулы, она кончается тупиком.Туда бы одностороннюю систему с входом и выходом ,клапаном и небольшим воздушным мешком для прокачки, но это не может возникнуть эволюционно.Кровеносная система односторонним током - возникла.

[Макроассемблер]

Проблема, что там ничего не прокачивается,так как трахея-это впячивание кутикулы, она кончается тупиком.

Легкие большинства позвоночных также заканчиваются тупиком, а у некоторых особо продвинутых насекомых есть подобие дыхательных мешков, так что эта граница размыта и наверяка не самая существенная.
p.s. почему бы не вывести пчелу (одиночную) размером с крысу...

[Дж. Тайсаев]

Не пойму. А чего здесь вообще обсуждать? Павел Волков достаточно полно всё расрыл и тему фактически закрыл. Я считаю, что в биологии есть много белых пятен, но не это точно. Правда я его реплики так и не нашёл. То ли он удалил, то ли это из другой ветки. Но по цитатам и так ясно

[crdigger]

>Легкие большинства позвоночных также заканчиваются тупиком
Они имают оптимальную форму для вентиляции, а дальше идет однонаправленная кровеносная система.Органы снабжает система с односторонним током крови, что позволяет эффективно обновлять кровь в самых тонких местах.Кровеносная система изначально однонаправленная, что открытая,что закрытая.

[DNAoidea]

Правда я его реплики так и не нашёл.

в 11 сообщении тут - сам он не принимал участия, это цитата.

Туда бы одностороннюю систему с входом и выходом ,клапаном и небольшим воздушным мешком для прокачки, но это не может возникнуть эволюционно.

да и физически тоже - это что ж получится-то? трахеолы заканчиваются слепо внутри клеток, а если "делать" ещё что для выхода, то стало быть клетки пронзать насквозь, и собирать таким образом использованный воздух? хотя... совсем сквозной, конечно, нет, но вот чтобы одни дыхальца использовались для вдоха, а другие для выхода - быть может, тут не в курсе... видимо все дыхальца не используются синхронно, а так и происходит - потому что трахейная система насекомых - связана в единую сеть, а если использовать всё синхронно, то смысл подобной сети пропадает - каждое из дыхалец не автономно...
всё же видимо основная проблема роста членистоногих - внешний скелет.

[crdigger]

>да и физически тоже - это что ж получится-то? трахеолы заканчиваются слепо внутри клеток, а если "делать" ещё что для выхода, то стало быть клетки пронзать насквозь, и собирать таким образом использованный воздух? хотя... совсем сквозной, конечно, нет, но вот чтобы одни дыхальца использовались для вдоха, а другие для выхода

Я не знаю точно, на ходу изучаю.Как я понял, с помощью дыхалец и воздушных прокачиваются воздух через крупные трахеи.Дальше идет дерево мелких трахей и трахеолы с жидкостью, они обновляются только с помощью диффузии.Что внутри клеток - а как позвоночные живут с замнкутой кровеносной системой?
Я предлагаю сделать следующее. Отдельно однонаправленая разветвленая трахейная система , пронизывающая все тело подобно кровеносной системе позвоночных, от нее отходят короткие, в доли миллиметра, трахеолы : мокрые трахеолы все равно нужны, потому что газообмен через стенки трахей невозможен. Отдельно замкнутая кровеносная система, крови надо в 10 раз меньше , если она не переносит кислород.Таскать воздух в эритроцтах, обеспечивая такую же плотность, как в газе ,при весе и вязкости в 1000 раз больше - нерационально. Имеем экономию на газообмене и кробвообращении.