2014年4月13日 星期日

大部分水生有機體用鰓做氣體交換 Most Multicellular Aquatic Organisms Use Gills for Gas Exchange

探索生命《生物學》158
Blugirl Spring/Summer 2014 | Milan Fashion Week MFW 
1.     大部分多細胞水生有機體活動力強,需要快速新陳代謝,也因此需要比外在表面更有效的氣體交換系統,他們演化出特殊的呼吸系統,特化的呼吸系統有外凸的氣體交換表面,稱為鰓gills。
2.     鰓的種類繁多,最簡單的形式是海星表皮上的腫塊狀的鰓,此外,還有某些海生環節蠕蟲的扇狀疣足parapodia。
3.     蚌蛤和烏賊外殼包覆保護的鰓,牡蠣和魚細膩分裂的鰓。
4.     每一種水生動物都有其獨特的氣體交換構造「鰓」。從水中吸收「氧氣」,排出「二氧化碳」廢棄物。
5.     大部分動物的「鰓」,尤其是那些活動力強的動物的「鰓」,分裂得非常細膩(分裂成絲狀),使得小小的「鰓」,具有極大的表面積可接觸水,進行氣體交換。
6.     因此,雖然氣體交換系統只佔身體很小的一部份,氣體交換表面與身體體積的比例值仍相當高。(氣體交換表面積與體積相比很大,因此可交換到足夠的氧氣)
7.     「鰓」通常有保護裝置,海星表面的「刺」與「鉗形構造」,或魚的「鰓蓋」,都能保護脆弱的鰓免於物理傷害。
8.     大部分「鰓」的另一個特色是布滿血管,血管裡的血液與外界只相隔2個細胞—「血管壁的細胞」與「鰓表面的細胞」。
9.     「氧氣」經由擴散作用,從氧濃度較高的「水」,穿越間隔的細胞,到氧濃度較低的「血液」。血液的色素抓取「氧」,然後,血液再將「氧」輸送到身體各部為的細胞。
10. 含有細胞新陳代謝產生的「二氧化碳」的血液,則以相反方向輸送。依據濃度梯度,「二氧化碳」從血液輸送到鰓,再擴散到水中;「氧」與「二氧化碳」的移動,一定是從高濃度區移往低濃度區,依循擴散原理。
11. 大部分的魚類,用嘴將水主動吸入口中,水流穿越「絲狀鰓」,最後從「鰓蓋」末端流出,換氣工作在「鰓」的位置進行。水流通過「鰓絲」的方向,與血管內的血液流過鰓絲的方向,相反。
12. 逆流氣體交換countercurrent exchange系統,創造出有利於氣體交換的濃度梯度,將血液從水中獲取氧氣的量,放到最大;如果血流和水流方向相同,血液獲得的氧量,便會少很多。
13. 大面積的氣體交換表面、輸送的含氧水流、血液運輸系統,將水生動物獲得氧的能力極大化,水流持續通過鰓,不斷地帶來新的含氧水,並且排出二氧化碳廢棄物。
14. 並非所有的水生動物的呼吸系統都用鰓,也並非所有生活在水中的動物都是完全水生的,許多種生活在水中的昆蟲和部分哺乳動物,必須定期到水面呼吸空氣。水蜘蛛是一種十分有趣的演化,水蜘蛛在水中織一張網,儲存用來呼吸的空氣氣泡。

n   翻譯編寫 Carol H. McFadden and William T. Keeton 《Biology》;圖片來源/science.kennesaw、w3.shorecrest、163.16.28.248/bio、teacheratsea.wordpress、Arachnoboards.com

2014年4月11日 星期五

水生環境的供氧量很低 The Availability of Oxygen in Aquatic Environments Is Low

探索生命《生物學》157
Andrea Incontri Spring/Summer 2014 | Milan Fashion Week MFW
1.     水生有機體要保持氣體交換表面濕潤沒有問題,但要獲得氧氣確實是一大難題,這有三個原因。
2.     首先,氧氣在水中的溶解度很低,1公升的海水只溶解5毫升的氧,1公升的淡水只溶解7毫升的氧;相較之下,1公升的空氣含有210毫升的氧。
3.     第二,像「氧」這類的氣體在水中的溶解度,與溫度高低成反比,溫度愈高,氣體溶解度愈低,有機體都生活在溫暖的水域,周遭水的含氧量非常低。
4.     第三,氧氣在水中的擴散,比在空氣中,慢了10倍,所以,水能提供給細胞呼吸的氧氣大為削減。為了持續供應新鮮的氧氣給身體的細胞,許多有機體演化出主動運送水穿越氣體交換表面的機制。
5.     水生有機體解決氣體交換的2個工具是:「身體表皮」與「鰓」。

許多有機體用身體表皮進行氣體交換 Many Organisms Use Their Body Surface for Gas Exchange
6.     有許多有機體,身體表皮的面積已足夠「氣體交換」所需,不需要特化的氣體交換表面。舉例來說,單細胞有機體沒有特化的氣體交換構造,氣體用簡單擴散穿越細胞膜,已足夠維繫生命所需。
7.     有些小型、簡單的多細胞動物,例如水母jellyfish、水螅hydra、渦蟲planaria,也是依靠身體表皮做氣體交換,不過,牠們身體有多功能的「循環消化腔」讓更多體內細胞暴露在含氧的水,這些水是牠們用嘴從環境吸入的。
8.     這些動物身體的每個細胞都沒有遠離水,少數大型水生動物,特別是海生的環節動物,沒有氣體交換系統,他們用身體表皮進行氣體交換,他們身體表面的皮膚滿布血管,氧氣以擴散作用進入皮膚,再滲透到血液,然後由血液將氧氣輸送到全身。
9.     不是只有小型水生動物用身體表皮進行氣體交換,有些生活在陸上濕潤環境的動物,例如蚯蚓,用身體表面濕潤的皮膚做氣體交換,即使對脊椎動物來說,皮膚呼吸仍是很重要的氣體交換機制。
10. 成年的兩棲動物,約有30%的氧氣經由皮膚吸入,他們的幼蟲經由皮膚吸收氧氣的比例更高。許多兩棲動物演化出較薄的皮膚與特化的循環系統,增加吸收氧氣的份量。
11. 某些魚類和爬蟲類,能經由皮膚獲得相當份量的氧氣。人類的皮膚也能進行部分氣體交換,皮膚細胞能直接與空氣進行呼吸作用的氣體交換。
12. 不過,大部分大型多細胞動物的皮膚呼吸作用,僅是補充其他氣體交換機制。大部分大型動物演化出特定的氣體交換系統。

n   翻譯編寫 Carol H. McFadden and William T. Keeton 《Biology》;圖片來源/Zo.utexas.edu

2014年4月10日 星期四

所有氣體交換都是以擴散作用穿越濕潤的細胞膜All Gases Are Exchanged by Diffusion Across a Moist Membrane

探索生命《生物學》156-2
Costume National Spring/Summer 2014 | Milan Fashion Week
1.     氣體交換的三個基本原則:一、氣體交換「表面積」與有機體的「體積」大小有關。
2.     因為「活細胞」與「環境」之間的「氧氣」與「二氧化碳」交換,一定是以擴散作用進行。氣體從高濃度的地方流往低濃度的地方,因此,必須有足夠的「表面積」,讓氣體擴散穿越細胞膜。
3.     小型或扁平的有機體,其「表面積」與「體積」相比夠大,因此不需要特化的氣體交換表面,然而,隨著有機體的體積增加,呼吸作用的「表面積」與「體積」的比例就成問題。
4.     因為有機體的體型增加時,表面積增加的速度,低於體積增加的速度。表面積增加是平面函數的增加(2次方增加),體積增加是立體函數增加(3次方增加)。
5.     活動力強的動物,對這問題尤其敏感,牠們消耗能量的速度很快,所以每單位時間內每單位體積的需氧量很大。
6.     許多動物演化出不透水的身體表皮,這些動物的外皮演化成鱗片、羽毛、毛髮,功能是保護屏障脆弱的內在組織、器官,隔絕有害的外在環境。
7.     這種隔離性外皮,使氣體交換表面被限制在身體的某個區域,並且使氣體交換面積的問題,更為嚴重。
8.     二、保護脆弱的氣體交換表面,免於受到機械性傷害與乾燥的機制。氣體交換必須使「濕潤的細胞」與「環境介質」接觸,這個必要條件造成一些困擾,特別是對陸生有機體造成困擾。
9.     「濕潤的細胞膜」必須暴露在環境中以交換氣體,但接觸空氣的同時,必須減少細胞乾掉的機率,此外,大面積、薄、濕潤的氣體交換表面,通常很脆弱,容易受到物理性破壞,所以生物演化出保護機制。
10. 三、保持表面濕潤的機制。氣體要穿越細胞膜,必須先溶解在溶液裡,因此細胞膜必須保持濕潤。
11. 水生有機體,例如海綿、水母、扁蟲,要保持濕潤不是問題,因為他們身上的每個細胞,若不是直接浸泡在水中,就是只有部分細胞遠離水;
12. 可是生活在陸地的有機體,要保持氣體見表面濕潤卻是難題,因為水分持續地從表面蒸發流失,失去的水分必須補充回來,不然動物會乾死。
13. 除了以上三個基本條件,大部分動物的氣體交換器官還要符合第四個的條件:
14. 四、需要運輸氣體的機制,將氣體從「與環境接觸的交換表面」,輸送到更體內的細胞。
15. 大型動物另一個問題是,許多細胞在有機體很裡面的位置,遠離氣體交換表面。光靠擴散作用運送氣體太慢,這過程要跨越大量的細胞,這些細胞可能阻隔氣體分子沿著濃度梯度到較為遙遠的細胞。
16. 一般而言,只有當距離低於一毫米(一米的千分之一),物質才能以簡單擴散的方式,經由液態媒介輸送。因此,細胞間需要其他的機制運送氣體,通常這個機制就是血液循環系統。
17. 呼吸的氣體經由血液循環系統,從氣體交換表面,輸送到各個細胞,氣體交換表面佈滿血管,「氧氣」溶解於水或空氣,經由擴散作用,穿越表面細胞到「血流」,「血流」再將「氧氣」運送到身體各個細胞。
18. 呼吸作用產生的「二氧化碳」,以相反方向移動,從細胞進入血流,血流再回到氣體交換表面排出。無論是「氧」還是「二氧化碳」,都必須先溶解於水中,才能被血液吸收。
19. 動物特化的氣體交換表面可分為二類:內凹的invaginated表面,與外凸的evaginated表面,每一類還可在細分成多種樣式與細節;無論是何種系統交換系統,都只是滿足四個基本需求的一種表現。

n   翻譯編寫 Carol H. McFadden and William T. Keeton 《Biology》;圖片來源/www.biog1445.org

動物的氣體交換 Gas Exchange in Animals

探索生命《生物學》156
Junko Shimada Fall/Winter 2012/13 Show at Paris Fashion Week
1.     生物進行有氧呼吸的過程,會碎裂營養化合物,營養化合物超過90%的能量是靠「氧」釋放出來,「氧氣」能將化合物,氧化成「二氧化碳」和「水」。
2.     因此,絕大部分有機體的民生問題是,如何獲得「氧氣」以進行細胞呼吸作用,以及如何排除呼吸作用的廢棄物「二氧化碳」。
3.     不同的動物對「氧氣」的需求不同,活動力強的動物代謝速率快,消耗能量快速,他們的身體每公克的需氧量,比活動力弱、代謝慢動物,更大。
4.     有機體的代謝速率與溫度緊密連結。有機體只能承受小範圍內的溫度變化,它們身體的代謝速率,隨溫度上升而增加,隨溫度下降而減少。
5.     因此,像「哺乳動物」這種恆溫動物,一直維持身體的高溫,「哺乳動物」每公克重所需的「氧」,比「變溫動物」,量更多。「變溫動物」包括在低溫環境生活的魚與兩棲動物。
6.     不同的有機體,用不同方式獲得「氧」。對小型、低代謝率的有機體來說,他們薄薄的皮膚提供夠大的氣體交換面積,讓氣體擴散到體內,但大型、複雜的有機體,則需要特化的氣體交換表面積來獲取足夠的氧氣。

7.     如果沒有演化出有效的氣體交換工具,執行細胞呼吸程序,許多有機體無法存活至今。舉例來說,哺乳動物若沒有持續的氧氣供應,將因為缺少能量而無法活過幾分鐘。

n   翻譯編寫 Carol H. McFadden and William T. Keeton 《Biology》;圖片來源/webspace.utexas.edu、Sciencelinks.blogspot.tw