كيف تتنفس الحيوانات تحت الماء؟

[Mary Naeem]

كيف تتنفس الحيوانات تحت الماء؟

الأسماك تفعل ذلك، فهي تستطيع أن تتنفس تحت الماء، وكذلك الحال بالنسبة لقناديل البحر ونجم البحر وخيار البحر، حيث أنهم يسحبون الأكسجين من الماء بدلا من الهواء، ومنذ مئات الملايين من السنين ومن بين جميع الحيوانات البرية ذات العمود الفقري والتي لديها أربعة أطراف هذه القدرة على التنفس المائي، ولكنها ضاعت بعد أن بدأت الكائنات الأولى التي تتنفس الهواء في العيش على الأرض بدوام كامل، واليوم، يمكن للبشر أن يتنفسوا في الماء فقط بإستخدام معدات خاصة أو في أفلام الخيال العلمي، ولكن كيف تتنفس الكائنات الحقيقية في بيئاتها المائية.

كما يحدث، هناك الكثير من الأكسجين الذائب في معظم بحار الكوكب وبحيراته وأنهاره، على الرغم من أن رئتي تنفس الهواء لدينا لا تستطيع معالجته، ولكن خبراء المياه في العالم قد طوروا عدة طرق أخرى للوصول إلى الأكسجين في الماء.


تقنية قديمة لتنفس الحيوانات تحت الماء

بعض الحيوانات مثل قناديل البحر من الحيوانات البحرية التي تمتص الأكسجين في الماء مباشرة من خلال بشرتها، وأخبرت ريبيكا هيلم أستاذة مساعدة في جامعة كارولاينا الشمالية في آشفيل، ليفي ساينس، أن تجويف المعدة والأوعية الدموية داخل أجسامها يخدم غرضين هضم الطعام، ونقل الأكسجين وثاني أكسيد الكربون حوله.

في الواقع، فإن أشكال الأرض الأولى من الحياة الميكروبية التي استخدمت الأكسجين حصلت عليها بنفس طريقة التي يحصل عليها قناديل البحر من خلال الإنتشار، من المحتمل أن ظهر هذا الشكل من التنفس قبل حوالي 2.8 مليار عام، وفي وقت ما بعد أن بدأت البكتيريا الزرقاء بضخ الأكسجين في الجو، وفقا لعالم المحيطات جولي بيروالد مؤلف كتاب اللافقاريات.

وقال بيروالد لعلوم الحياة نظرا لوجود طبقة خارجية فقط وطبقة داخلية من الخلايا والجزء الداخلي هلامية الشكل ولا تحتوي على خلايا، فإنها لا تحتاج إلى الكثير من الأكسجين الذي تحتاجه الحيوانات التي تحتوي على أنسجة فعلية في الداخل، ومع ذلك، هناك أيضا عيوب في التنفس من خلال عملية الإنتشار، وقد أضاف بيروالد، إنه أبطأ بكثير من إستخدام نظام الدورة الدموية لجلب الأكسجين إلى مسافات بعيدة من الجسم، وهذا ربما يعني أن هناك حدودا لكيفية نمو قنديل البحر الكبير.




تتنفس الحيوانات من مؤخرة جسمها تحت الماء

تم العثور على التنفس من خلال إنتشار الأكسجين على سطح الجسم أيضا في الأكينومات الجلدية وهي مجموعة من الحيوانات البحرية التي تشمل قناديل البحر ونجم البحر وقنفذ البحر وخيار البحر، ونجم البحر يمتص الأكسجين بينما تتدفق المياه على نتوءات على جلده تسمى حطاطات ومن خلال الأخاديد في هياكل أخرى تسمى الأقدام الأنبوبية، وهذا ما أوضحه عالم الحيوان اللافقاريات كريستوفر ماه باحث في متحف سميثسونيان الوطني للتاريخ الطبيعي في واشنطن دي. سي.

بعض أنواع خياريات البحر التي تعيش في المياه الضحلة مع ذلك لديها نوع مختلف من التكيف المتخصص للتنفس، وهي هيكل الشجرة التنفسي يقع في تجويف الجسم بالقرب من فتحة الشرج، بينما تمتص فتحة مستقيم خيار البحر الماء في جسمه تستخرج شجرة الجهاز التنفسي الأكسجين وتطرد ثاني أكسيد الكربون، وقال ماه إنه يتنفس حرفيا من مؤخرة جسمه.


المخطط الأساسي لتنفس الحيوانات تحت الماء

في الأسماك، أثبتت الخياشيم أنها نظام ناجح للتنفس بإستخدام شبكة من الأوعية الدموية لإستخلاص الأكسجين من المياه المتدفقة ونشره من خلال أغشية الخياشيم، وفقا لمركز العلوم في شمال شرق مصايد الأسماك، وقال سولومون ديفيد أستاذ مساعد بقسم العلوم البيولوجية بجامعة ولاية نيكولز في لويزيانا، لعلوم الحياة، إن معظم أنواع الأسماك تحتوي على الخياشيم.

قال ديفيد، لقد صنعوا هذا التبادل المعاكس للغاز وهو سحب الأكسجين وإخراج النفايات، عندما تفتح الأسماك أفواهها، فإنها تخلق تيارا من الماء يتدفق على خياشيمها، وقال إن النسيج الأحمر للغاية والأوعية الدموية تمتص الأكسجين وتطرد ثاني أكسيد الكربون، وهو يشبه الشعيرات الدموية في الحويصلات الهوائية لدينا.


ومع ذلك، فإن الخياشيم ليست بالضبط مقاس واحد يناسب الجميع، وهيكلها يمكن أن تختلف بين الأنواع لتتناسب مع احتياجاتهم من الأوكسجين، وفقا لديفيد، على سبيل المثال سوف تختلف خياشيم سمك التونة السريعة عن تلك الموجودة في الأسماك الراقدة، أو الحيوانات المفترسة التي تنتظر فريستها مثل التمساح الأمريكي، وقال ديفيد إذا كانت الحيوانات المفترسة نشطة في كل وقت، فستحصل على خياشيم مختلفة لمتطلبات الأكسجين المرتفعة.

أضاف أن شكل الخياشيم يمكن أن يختلف بين الأفراد من نفس النوع، وهذا يتوقف على ظروف الأكسجين في الماء التي تعيش فيه الحيوانات المائية، وأظهرت الدراسات أن الأسماك يمكن أن تتكيف مع مورفولوجيا الخياشيم عندما تصبح موائلها المائية ملوثة، وبمرور الوقت، تصبح خيوط الخياشيم أكثر كثافة لمقاومة الملوثات في الماء.


تحتوي بعض البرمائيات المائية أيضا على خياشيم وهي هياكل متفرعة تمتد إلى الخارج من رؤوسها، وهذه هي سمة اليرقات في البرمائيات التي تختفي مع نضوج معظم الأنواع، ولكن السمندل المائي يحتفظ بهذه الخياشيم الخارجية في مرحلة البلوغ، كما أخبرت كيرستين هتشت عالمة البيئة المائية في كلية الموارد الطبيعية والبيئة بجامعة فلوريدا، وقالت هيتشت إن سمك الرئة وهو مجموعة من الأسماك التي تتنفس الهواء والماء بإستخدام المثانة المعدلة للسباحة لديها أيضا خياشيم خارجية عندما تكون صغيرة ولكن جميع أنواع أسماك الرئة تقريبا تفقدها قبل أن تنضج.


تتنفس الحيوانات تحت الماء من خلال خياشيم القصبة الهوائية

اليرقات الصغيرة من الحشرات المائية لديها نوع من الخياشيم مع نظام القصبة الهوائية، وتسمى خياشيم القصبة الهوائية، ولا تحتوي الحشرات على أوعية دموية تمر عبر خياشيمها، بل إن لديها قصبة هوائية بدلا من ذلك، وتمتلئ هذه القصبة الهوائية بالهواء تماما مثل القصبة الهوائية لدى الحشرات التي تتنفس الهواء، ومع ذلك، فإنه لا تفتح على العالم الخارجي من خلال الشقوق التنفسية في الحشرات، وبدلا من ذلك يتم إغلاقها تماما، ويمر الأكسجين من الماء ويعبر الخياشيم، ثم ينتقل إلى القصبة الهوائية المملوءة بالهواء، ومن هناك يتم نقل الغاز في جميع أنحاء الجسم في نظام القصبة الهوائية.