Anatomi Dan Sistem Pernapasan Pada Hewan
Sistem pernapasan – sistem dalam organisme hidup yang mengambil oksigen dan melepaskan karbon dioksida untuk memenuhi kebutuhan energi.
Dalam organisme hidup, energi dibebaskan, bersama dengan karbon dioksida, melalui oksidasi molekul yang mengandung karbon. Istilah respirasi menunjukkan pertukaran gas pernapasan (oksigen dan karbon dioksida) antara organisme dan media di mana ia hidup dan antara sel-sel tubuh dan cairan jaringan yang memandikan mereka.
Dengan pengecualian energi yang digunakan oleh kehidupan hewan di laut dalam, semua energi yang digunakan oleh hewan pada akhirnya berasal dari energi sinar matahari.
Karbon dioksida di atmosfer bersamaan dengan energi sinar matahari digunakan oleh tanaman untuk mensintesis gula dan komponen lainnya. Hewan mengkonsumsi tanaman atau bahan organik lainnya untuk memperoleh senyawa kimia, yang kemudian dioksidasi untuk mempertahankan proses vital.
Artikel ini mempertimbangkan komponen gas dari udara dan air, habitat pernapasan alami hewan, dan tipe dasar struktur pernapasan yang memfasilitasi pertukaran gas di lingkungan ini.
Meskipun perolehan oksigen dan penghilangan karbon dioksida adalah persyaratan penting untuk semua hewan, laju dan jumlah pertukaran gas bervariasi sesuai dengan jenis hewan dan tingkat aktivitasnya.
Konsumsi oksigen berbagai hewan dinyatakan dalam mililiter oksigen per kilogram berat badan per jam, mencerminkan tuntutan gas dari spesies yang berbeda saat istirahat dan bergerak. Perubahan komposisi kimiawi cairan tubuh memunculkan respons dari sistem saraf pusat, yang kemudian menggairahkan atau menekan mesin respirasi eksternal.
Gas Di Lingkungan Alam
Kisaran masalah pernapasan yang dihadapi oleh hewan air dan darat dapat dilihat dari berbagai komposisi dan karakteristik fisik air dan udara. Udara mengandung sekitar 20 kali jumlah oksigen yang ditemukan dalam air jenuh udara.
Untuk mengekstraksi oksigen dalam jumlah yang setara dengan pernafasan udara, hewan akuatik mungkin perlu melewati permukaan pernapasan dengan volume yang relatif lebih besar dari media eksternal. Selain itu, laju difusi oksigen jauh lebih rendah di air daripada di udara.
Masalahnya semakin diperparah oleh kepadatan yang lebih tinggi (1.000 kali udara) dan viskositas (100 kali udara) air, yang memaksakan pada mesin respirasi air beban kerja yang jauh lebih besar.
Dengan demikian, ikan dapat mengeluarkan sekitar 20 persen dari total konsumsi oksigennya dalam menjalankan pompa pernapasan, dibandingkan dengan sekitar 1 hingga 2 persen pada mamalia, termasuk manusia.
Kandungan karbon dioksida di sebagian besar perairan alami lebih rendah dibandingkan dengan udara, seringkali hampir nol. Berbeda dengan oksigen, karbon dioksida sangat larut dalam air dan berdifusi dengan cepat.
Sebagian besar karbon dioksida yang masuk ke air bergabung dengan air (untuk membentuk asam karbonat) atau dengan zat lain (untuk membentuk karbonat atau bikarbonat).
Kapasitas buffering ini mempertahankan tingkat karbon dioksida bebas yang rendah dan memfasilitasi pemeliharaan gradien difusi yang menguntungkan untuk pertukaran karbon dioksida oleh pernafasan air. Secara umum, pertukaran oksigen, yang sangat tergantung pada kandungan oksigen air, lebih kritis membatasi untuk bentuk air daripada pertukaran karbon dioksida.
Temperatur memberikan efek mendalam pada kelarutan gas dalam air. Perubahan dari 5 ° hingga 35 ° C (41 ° ke 95 ° F) mengurangi kandungan oksigen air tawar hampir setengahnya.
Pada saat yang sama, kenaikan suhu tubuh menghasilkan peningkatan konsumsi oksigen di antara hewan-hewan yang tidak secara ketat mengatur suhu tubuh mereka (yang disebut hewan berdarah dingin).
Seekor ikan mengalami kenaikan air dan suhu tubuh berada di bawah rintangan ganda: lebih banyak air harus dipompa di permukaan insangnya untuk mengekstraksi jumlah oksigen yang sama seperti yang dibutuhkan pada suhu yang lebih rendah; dan peningkatan metabolisme membutuhkan jumlah oksigen yang lebih besar.
Jumlah oksigen yang tersedia di perairan alami juga dibatasi oleh jumlah garam terlarut. Faktor ini merupakan penentu ketersediaan oksigen di zona transisi antara laut dan air tawar.
Air murni, ketika diseimbangkan dengan oksigen pada 0 ° C, misalnya, mengandung sekitar 50 mililiter oksigen per liter; dalam kondisi yang sama, larutan yang mengandung 2,9 persen natrium klorida hanya mengandung 40 mililiter oksigen per liter. Perairan mungkin memiliki zona miskin oksigen.
Zona semacam itu terutama terlihat di rawa-rawa dan di tingkat yang lebih rendah di danau yang dalam. Banyak hewan dikeluarkan dari zona seperti itu; yang lain telah menjadi sangat beradaptasi untuk hidup di dalamnya.
Atmosfer Bumi meluas hingga ketinggian bermil-mil. Ini terdiri dari campuran gas yang disimpan dalam amplop di seluruh dunia oleh gaya tarik gravitasi.
Atmosfer memberikan tekanan yang proporsional dengan berat kolom udara di atas permukaan bumi hingga batas atmosfer: tekanan atmosfer pada permukaan laut rata-rata cukup untuk mendukung kolom merkuri setinggi 760 milimeter (disingkat 760 mm Hg — yang terakhir menjadi simbol kimia untuk merkuri).
Udara kering terutama terdiri dari nitrogen dan gas inert (79,02 persen), oksigen (20,94 persen), dan karbon dioksida (0,03 persen), masing-masing berkontribusi secara proporsional terhadap tekanan total.
Persentase ini relatif konstan untuk ketinggian sekitar 80,5 kilometer. Pada permukaan laut dan tekanan barometrik 760 milimeter air raksa, tekanan parsial nitrogen adalah 79,02 persen dari 760 milimeter air raksa, atau 600,55 milimeter air raksa; bahwa oksigen adalah 159,16 milimeter merkuri; dan karbon dioksida adalah 0,20 milimeter merkuri.
Keberadaan uap air dalam campuran gas mengurangi tekanan parsial gas komponen lain tetapi tidak mengubah tekanan total campuran.
Pentingnya tekanan uap air untuk komposisi gas dapat dihargai dari kenyataan bahwa pada suhu tubuh manusia (37 ° C, atau 98,6 ° F) udara atmosfer yang ditarik ke paru-paru menjadi jenuh dengan uap air. Tekanan uap air pada 37 ° C adalah 47 milimeter air raksa.
Untuk menghitung tekanan parsial gas pernapasan, nilai ini harus dikurangi dari tekanan atmosfer. Untuk oksigen, 760 (tekanan atmosfer) – 47 = 713 milimeter merkuri, dan 713 × 0,209 (persentase oksigen di atmosfer) = 149 milimeter merkuri; jumlah ini sekitar 10 milimeter merkuri lebih rendah dari tekanan parsial oksigen di udara kering pada 760 milimeter tekanan total merkuri.
Tekanan atmosfer jatuh pada ketinggian yang lebih tinggi, tetapi komposisi atmosfer tetap tidak berubah. Pada 7.600 meter (25.000 kaki) tekanan atmosfer adalah 282 milimeter merkuri dan tekanan parsial oksigen adalah sekitar 59 milimeter merkuri.
Oksigen terus membentuk hanya 20,94 persen dari total gas yang ada. Jarangnya udara di ketinggian tidak hanya membatasi ketersediaan oksigen untuk hembusan udara, tetapi juga membatasi ketersediaannya untuk bentuk air, karena jumlah gas terlarut dalam air berkurang seiring dengan penurunan tekanan atmosfer.
Danau Titicaca di Peru berada di ketinggian sekitar 3.810 meter; satu liter air danau pada ketinggian ini (dan pada 20 ° C, atau 68 ° F) menampung empat mililiter oksigen dalam larutan; di permukaan laut, itu akan menampung 6.4.
Variasi dalam karakteristik udara dan air menunjukkan banyak masalah yang harus dihadapi oleh sistem pernapasan hewan dalam mendapatkan oksigen yang cukup untuk mempertahankan kehidupan.
Tipe Dasar Struktur Pernafasan
Struktur pernapasan disesuaikan dengan kebutuhan akan oksigen. Bentuk kehidupan menit, seperti protozoa, menukar oksigen dan karbon dioksida di seluruh permukaannya.
Organisme multiseluler, di mana jarak difusi lebih panjang, biasanya menggunakan strategi lain. Cacing air, misalnya, memanjangkan dan meratakan tubuh mereka untuk menyegarkan media eksternal di permukaannya.
Spons sepatunya bergantung pada pasang surut dan aliran air ambien. Sebaliknya, ubur-ubur, yang bisa sangat besar, memiliki kebutuhan oksigen yang rendah karena kandungan bahan organiknya kurang dari 1 persen dan sel-sel metabolisme berada tepat di bawah permukaan, sehingga jarak difusi kecil.
Organisme yang terlalu besar untuk memenuhi kebutuhan oksigen mereka dari lingkungan melalui difusi dilengkapi dengan struktur pernapasan khusus dalam bentuk insang, paru-paru, area khusus usus atau faring (pada ikan tertentu), atau trakea (tabung udara yang menembus dinding tubuh, seperti pada serangga).
Struktur pernapasan biasanya memiliki bentuk yang dilemahkan dan permukaan semipermeabel yang besar dalam kaitannya dengan volume struktur. Di dalamnya biasanya ada sirkulasi cairan tubuh (darah melalui paru-paru, misalnya).
Dua jenis mekanisme pemompaan sering dijumpai: satu untuk memperbarui media yang mengandung oksigen eksternal, yang lain untuk memastikan sirkulasi cairan tubuh melalui struktur pernapasan.
Pada vertebrata yang bernapas melalui udara, otot-otot yang berkontraksi secara bergantian menciptakan perbedaan tekanan yang diperlukan untuk memperluas atau mengempiskan paru-paru, sementara jantung memompa darah melalui permukaan pernapasan di dalam paru-paru.
Darah teroksigenasi yang kembali ke jantung kemudian dipompa melalui sistem vaskular ke berbagai jaringan tempat oksigen dikonsumsi.
Organ pernapasan invertebrata
Dua organ pernapasan invertebrata yang umum adalah trakea dan insang. Difusi paru-paru, berbeda dengan ventilasi paru-paru vertebrata, terbatas pada hewan kecil, seperti siput paru-paru dan kalajengking.
Batang tenggorok (Trakea)
Organ pernapasan ini merupakan ciri khas serangga. Itu terdiri dari sistem tabung bercabang yang mengirimkan oksigen ke, dan menghilangkan karbon dioksida dari, jaringan, sehingga meniadakan kebutuhan akan sistem peredaran darah untuk mengangkut gas pernapasan (meskipun sistem peredaran darah memang melayani fungsi vital lainnya, seperti pengiriman molekul yang mengandung energi yang berasal dari makanan).
Pori-pori ke luar, yang disebut spiral, biasanya berpasangan, dua di dada dan delapan di perut. Pembukaan dan penutupan spiral secara berkala mencegah hilangnya air karena penguapan, ancaman serius bagi serangga yang hidup di lingkungan kering. Gerakan memompa otot perut, terutama pada hewan besar, dapat meningkatkan ventilasi sistem trakea.
Meskipun sistem trakea terutama dirancang untuk kehidupan di udara, dalam beberapa serangga modifikasi memungkinkan trakea berfungsi untuk pertukaran gas di bawah air.
Yang menarik adalah serangga yang mungkin disebut bubble breathers, yang, seperti dalam kasus kumbang air Dytiscus, mengambil pasokan gas dalam bentuk gelembung udara di bawah permukaan sayap mereka di sebelah spiral sebelum mereka tenggelam.
Pertukaran gas trakea berlanjut setelah kumbang tenggelam dan berlabuh di bawah permukaan. Karena oksigen dikonsumsi dari gelembung, tekanan parsial oksigen di dalam gelembung turun di bawah tekanan di dalam air; akibatnya oksigen berdifusi dari air ke dalam gelembung untuk menggantikan yang dikonsumsi.
Karbon dioksida yang dihasilkan oleh serangga berdifusi melalui sistem trakea ke dalam gelembung dan kemudian ke dalam air. Gelembung itu berperilaku seperti insang. Ada satu batasan utama untuk adaptasi ini:
Saat oksigen dikeluarkan dari gelembung, tekanan parsial nitrogen naik, dan gas ini kemudian berdifusi keluar ke dalam air. Konsekuensi dari difusi nitrogen luar adalah bahwa gelembung menyusut dan kandungan oksigennya harus diisi ulang dengan perjalanan lain ke permukaan.
Solusi parsial untuk masalah pembaruan gelembung telah ditemukan oleh kumbang air kecil dari keluarga Elmidae (mis., Elmis, Riolus), yang menangkap gelembung yang mengandung oksigen yang dihasilkan oleh ganggang dan memasukkan gas ini ke dalam insang gelembung. Beberapa spesies kumbang air juga menambah pertukaran gas dengan mengaduk air di sekitarnya dengan kaki posterior mereka.
Solusi elegan untuk masalah kelelahan gelembung selama perendaman telah ditemukan oleh kumbang tertentu yang memiliki kepadatan tinggi rambut kutikula di sebagian besar permukaan perut dan dada. Tumpukan rambut sangat padat sehingga tidak tahan terhadap pembasahan, dan sebuah ruang udara terbentuk di bawahnya, menciptakan plastron, atau cangkang udara, tempat trakea terbuka.
Ketika respirasi berlangsung, difusi nitrogen dan penyusutan ruang gas yang terjadi di luarnya dicegah oleh tegangan permukaan — suatu kondisi yang dimanifestasikan oleh sifat-sifat yang menyerupai kulit yang elastis di bawah tekanan — antara rambut dan air yang padat.
Plastron menjadi “permanen” dalam arti bahwa perangkap gelembung lebih lanjut di permukaan tidak lagi diperlukan, dan kumbang dapat tetap terendam tanpa batas. Karena rambut plastron cenderung melawan deformasi, kumbang dapat hidup pada kedalaman yang cukup tanpa kompresi gas plastron.
Salah satu strategi luar biasa yang digunakan oleh serangga hemipteran Buenoa dan Anisops adalah penyimpanan oksigen internal yang memungkinkan mereka untuk bersembunyi selama beberapa menit tanpa muncul kembali sementara menunggu makanan di zona air yang relatif bebas predator tetapi miskin air.
Penyimpanan oksigen internal adalah dalam bentuk sel-sel yang diisi hemoglobin yang merupakan jalur pertama pengiriman oksigen untuk secara aktif memetabolisme sel, menghemat massa udara kecil dalam sistem trakea sementara penyimpanan hemoglobin sedang habis.
Struktur pernapasan laba-laba terdiri dari “paru-paru buku” yang khas, seperti lempeng-lempeng daun tempat udara bersirkulasi melalui celah di perut.
Buku paru-paru berisi pembuluh darah yang membawa darah ke dalam kontak dekat dengan permukaan yang terpapar ke udara dan di mana pertukaran gas antara darah dan udara terjadi. Selain struktur ini, mungkin juga ada spirakel abdomen dan sistem trakea seperti serangga.
Karena laba-laba adalah pernafasan udara, mereka sebagian besar terbatas pada situasi terestrial, meskipun beberapa dari mereka secara teratur berburu makhluk air di tepi atau tepi kolam dan sebenarnya dapat melakukan perjalanan di permukaan film semudah di darat.
Laba-laba air (atau lonceng lonceng selam), Argyroneta aquatica — dikenal karena jaring sutra bawah airnya, yang menyerupai sejenis lonceng selam — adalah satu-satunya spesies laba-laba yang menghabiskan seluruh hidupnya di bawah air.
Menggunakan rambut-rambut halus di perutnya, tempat bukaan pernapasannya berada, laba-laba air menangkap gelembung-gelembung kecil udara di permukaan air, mengangkutnya ke jaring sutranya, yang ditambatkan ke tanaman bawah air atau benda lain, dan mengeluarkannya ke pedalaman, dengan demikian menggembungkan rumah bawah laut dengan udara.
Penelitian telah menunjukkan bahwa jaring yang digembungkan berfungsi sebagai semacam insang, mengekstraksi oksigen terlarut dari air ketika konsentrasi oksigen di dalam jaring menjadi cukup rendah untuk menarik oksigen dari dalam air. Saat laba-laba mengkonsumsi oksigen, konsentrasi nitrogen dalam jaring yang meningkat meningkat, menyebabkannya perlahan-lahan runtuh.
Oleh karena itu, laba-laba harus melakukan perjalanan ke permukaan air untuk pembaruan gelembung, yang dilakukan setiap hari sekali. Sebagian besar siklus hidup laba-laba air, termasuk pacaran dan pengembangbiakan, menangkap mangsa dan memberi makan, dan perkembangan telur dan embrio, terjadi di bawah permukaan air. Banyak dari kegiatan ini terjadi di dalam lonceng penyelaman laba-laba.
Banyak serangga yang belum dewasa memiliki adaptasi khusus untuk keberadaan air. Tonjolan berdinding tipis dari integumen, yang mengandung jaringan trakea, membentuk serangkaian insang (insang trakea) yang membawa air ke dalam kontak dekat dengan tabung trakea tertutup.
Nimfa capung dan capung memiliki insang trakea eksternal yang melekat pada segmen perut mereka, dan beberapa pelat insang dapat bergerak dengan cara yang mengatur aliran air di atas permukaan pertukaran.
Nimfa capung memiliki serangkaian insang trakea tertutup dalam rektum. Pemompaan berkala pada ruang dubur berfungsi untuk memperbaharui aliran air di atas insang. Menghapus insang atau memasukkan rektum menghasilkan konsumsi oksigen yang lebih rendah. Pertukaran gas yang cukup besar juga terjadi di seluruh permukaan tubuh pada serangga akuatik yang belum dewasa.
Sistem trakea serangga memiliki keterbatasan yang melekat. Gas menyebar perlahan dalam tabung sempit yang panjang, dan transportasi gas yang efektif hanya dapat terjadi jika tabung tidak melebihi panjang tertentu. Secara umum diperkirakan bahwa ini telah memberlakukan batasan ukuran pada serangga.
