CHUYÊN ĐỀ: HÔ HẤP Ở ĐỘNG VẬT PHẦN I - MỞ ĐẦU Sinh lí động vật là môn học được giảng dạy ở các trường THPT, nội dung của môn học được đưa vào rất nhiều trong các kì thi học sinh giỏi trong nước và quốc tế. Khi học sinh nghiên cứu về chuyên đề hô hấp ở động vật sẽ gặp rất nhiều khó khăn do đây là chuyên đề lí thuyết tương đối dài và khó. Hô hấp ở động vật là rất đa dạng, tuy nhiên trong phạm vi 1 chuyên đề hẹp, tôi chỉ tập trung đi sâu vào một số kiến thức trọng tâm và các câu hỏi, bài tập vận dụng trong phần Hô hấp ở động vật.
PHẦN II – NỘI DUNG A. KIẾN THỨC TRỌNG TÂM I. Khái niệm Hô hấp là quá trình O2 từ bên ngoài vào ôxi hoá các chất trong tế bào, giải phóng năng lượng cho các hoạt động sống, đồng thời thải CO2 ra ngoài. - Hô hấp tế bào: Là quá trình chuyển hóa năng lượng tích trong chất hữu cơ thành năng lượng tích trong phân tử ATP từ ADP và Pvc là dạng năng lượng cung cấp cho tất cả các hoạt động sống của tế bào và cơ thể. Quá trình hô hấp gồm năm giai đoạn : - Thông khí (không khí đi vào và đi ra khỏi cơ quan trao đổi khí). - Trao đổi khí ở cơ quan trao đổi khí (mang, phổi...). - Vận chuyển khí O2 và CO2 ( vận chuyển O2 từ cơ quan trao đổi khí đến tế bào và vận chuyển CO2 từ tế bào đến cơ quan trao đổi khí và thải ra ngoài). - Trao đổi khí ở mô. - Hô hấp tế bào. *Hiệu quả trao đổi khí phụ thuộc vào 5 đặc điểm của bề mặt trao đổi khí, đó là: 1. Diện tích bề mặt rộng 2. Bề mặt ẩm ướt: Bề mặt ẩm ướt rất cần thiết đối với việc hoà tan các chất khí, cho phép chúng đi qua một cách dễ dàng. 3. Có sự lưu thông khí: tạo ra một sự chênh lệch cực đại về nồng độ hay khuynh độ khuếch tán ở hai phía của bề mặt trao đổi khí 4. Có nhiều mao mạch máu: Ở nhiều loài động vật máu chảy qua các mao mạch mang đioxit cacbon tới các cơ quan trao đổi khí và nhanh chóng vận chuyển oxy hoà tan đi khắp cơ thể. 5. Các sắc tố hô hấp: Các sắc tố hô hấp kết hợp một cách thuận nghịch với oxy. Nhờ sự kết hợp này mà oxy tự do còn rất ít ở trong huyết tương, do đó sự chênh lệch về nồng độ oxy trở nên lớn hơn rất thuận lợi cho việc khuếch tán oxy vào trong máu. Sắc tố phổ biến nhất là hemoglobin, thấy ở đa số các loài động vật có xương sống và nhiều loài động vật không xương sống. Các sắc tố tương tự chứa sắt là hemerytrin và clororuorin thấy ở một vài loài giun đốt, trong khi đó hemocyanin chứa đồng thấy ở một vài loài thân mềm và một số loài chân khớp. II. Hướng tiến hoá của hệ hô hấp 1. Trao đổi khí qua bề mặt cơ thể Động vật đơn bào hay một số động vật đa bào như ruột khoang, giun tròn, giun dẹp, giun đốt có thể tiến hành trao đổi khí trực tiếp qua bề mặt cỏ thể hoặc qua màng tế bào. Chúng có thể thực hiện quá trình này bởi vì chúng có diện tích bề mặt trao đổi khí khá rộng so với thể tích của chúng. Hơn nữa các chất khí hoà tan đi qua bề mặt trao đổi khí nhờ quá trình khuếch tán có thể khuếch tán rất nhanh tới tất cả các bộ phận ở bên trong cơ thể và ngược lại từ các bộ phận ra bề mặt vì khoảng cách giữa chúng rất nhỏ. 2. Trao đổi khí qua hệ thống ống khí Ở sâu bọ, trao đổi khí thực hiện nhờ hệ thống ống khí. Các ống khí làm nhiệm vụ dẫn khí, phân nhánh thành các ống khí nhỏ nhất, tiếp xúc trực tiếp với các tế bào của cơ thể và thực hiện trao đổi khí. Hệ thống ống khí thông với không khí bên ngoài nhờ các lỗ thở. Sự thông khí trong các ống khí thực hiện được nhờ sự co dãn của phần bụng. 3. Trao đổi khí qua mang Sự trao đổi khí đối với các động vật ở nước như trai, ốc, cua, cá... được thực hiện qua mang. Trong số đó thì lớp cá có một hệ thống trao đổi khí hoàn hảo. Hệ thông này có thể thu lấy 80% oxy từ nước chảy qua. Cơ quan trao đổi khí ở cá là các cung mang. Mỗi bên đầu có 4 cung mang, những cung mang này được ngăn cách với ngau bởi các khe giữa các cung mang gọi là các khe mang. Mỗi cung mang đều có một trục xương cong gọi là xương cung mang hay là cung tạng. Chỗ các khe mang mở vào hầu, từ xương cung mang phát ra nhiều gai mang dài và cứng trông như hình một cái lược. Chúng có tác dụng như một cái rào chắn bảo vệ cho các lá mang mềm mại không bị thức ăn hay các vật thể khác lọt vào và làm hư hại mang. Từ các xương cung mang còn phát ra các que xương nhỏ gọi là các tia mang có chức năng đệm đỡ cho các phiến mang dẹt. Phía ngoài mang được che phủ bởi nắp mang và riềm nhỏ quanh thành sau của nắp. Riềm mang có tác dụng như một cái van điều chỉnh sự lưu thông của dòng nước qua mang. Sự lưu thông khí: Khi thở vào: nền hầu hạ xuống, giảm áp lực trong miệng nước tràn qua miệng lúc đó nắp mang hai bên phình ra làm diềm mang khép lại, nước liên tục chảy qua cung mang. Khi thở ra: miệng ngậm lại, nền hầu nâng lên rất nhanh tạo ra một áp lực mạnh đẩy nước qua khe giữa các cung mang, đồng thời nắp mang ép vào, van diềm mang mở ra đẩy nước ra ngoài. Điều đáng chú ý là chiều của dòng máu trong các mao mạch của phiến mang nhỏ ngược chiều với dòng nước qua mang có hiệu quả trao đổi khí rất cao. 4. Trao đổi khí ở các phế nang (trong phổi ). * Đối với đa số động vật ở cạn và số ít các động vật ở dưới nước như rắn nước, ba ba, cá heo, cá voi... sự trao đổi khí thực hiện qua bề mặt trao đổi khí ở các phế nang trong phổi. * Ở người, phổi như là một túi lồi ra từ khu vực hầu của ống tiêu hoá và cùng với tim, chúng lấp đầy hầu như toàn bộ khoảng trống trong lồng ngực. Khí quản có đường kính khoảng 2 cm và dài 10 cm. Khí quản được tăng cường bởi các sụn chữ C nằm ở thành của nó. Ở đỉnh của khí quản nơi tiếp xúc với hầu là thanh quản. Phía dưới khí quản được chia thành phế quản gốc phải và trái, mỗi phế quản gốc lại tiếp tục phân chia thành những ống nhỏ hơn và được tăng cường đàn hồi bởi sụn tương tự như khí quản. Kiểu phân nhánh này chia mỗi phổi thành các thuỳ rõ rệt. Trong mỗi thuỳ, các đường dẫn khí của cây phế quản tiếp tục phân chia và cuối cùng là các đường ống hẹp không có sụn bao quanh, đường kính dưới 1 mm. Đây là các phế quản nhỏ, chúng lại tiếp tục phân chia và cuối cùng là kết thúc ở các túi chứa khí nhỏ gọi là phế nang. Các phế nang sắp xếp thành từng chùm giống như chùm nho và được cung cấp rất nhiều mao mạch, do đó sự trao đổi khí diễn ra một cách dễ dàng. Phổi được cấu tạo từ mô liên kết nên có tính đàn hồi cao. Hệ thống trao đổi khí ở người: khoang mũi, thực quản: có các sụn hở hình C giúp tăng thể tích khí ho, thở. Đỉnh của khí quản, nơi tiếp xúc với hầu thanh quản. Từ khí quản các phế quả phân nhánh nhiều và kết thúc ở các phế nang. Phế nang có nhiều mao mạch bao quanh, khoảng 700 triệu phế nang ở mỗi lá phổi. Mỗi khoang màng phổi gồm 2 lá phổi. Lá thành bám chắc vào lồng ngực tách khỏi phổi. Lá tạng bao lấy phổi. Giữa 2 lá phổi có dịch màng phổi giúp 2 lá không dính nhau tạo nên áp suất âm. - Sự thông khí ở phổi được thực hiện nhờ các cơ hô hấp Đối với cử động hô hấp bình thường, cơ hô hấp tham gia gồm có: + Cơ hoành: làm tăng thế tích lồng ngực theo phương thẳng đứng. + Cơ liên sườn ngoài: theo hướng trước sau và hai bên. Khi cơ hoành và cơ liên sườn co, thể tích lồng ngực tăng, lá thành bám chặt vào thành ngực nên bị tách khỏi phổi dẫn đến áp suất âm có trị số lớn hơn (thông qua lá tạng có tác dụng làm phổi bị đẩy căng ra dẫn đến không khí tràn vào phổiKhi các cơ hô hấp co thể tích lồng ngực tăng lên ® lá tạng bị kéo ra ® phổi bị kéo căng ® không khí tràn vào phổi). Đó là cử động hít vào. Khi cơ hoành và cơ liên sườn dãn, do có tính đàn hồi thể tích lồng ngực giảm phổi tự co lại, không khí được đẩy ra ngoài. Đó là cử động thở ra. Khi thở có khoảng 500ml khí lưu thông trong đó chỉ có khoảng 350ml khí trao đổi còn 150ml khí đọng nằm lại trong phổi. Thở sâu có thể hít thêm 2500ml, thở ra thêm 1500ml. Dung tích sống khoảng 45000ml. Có khoảng 1000ml khí cặn trong phổi. * Ở chim, sự trao đổi khí thực hiện qua các ống khí nằm trong phổi với hệ thống mao mạch bao quanh. Sự lưu thông khí qua các ống khí thực hiện được là nhờ sự co dãn của các túi khí thông với các ống khí. Không khí lưu thông liên tục qua các ống khí ở phổi theo một chiều nhất định kể cả lúc hít vào và lúc thở ra nên không có khí đọng trong các ống khí ở phổi. Như vậy, trao đổi khí xảy ra liên tục giữa máu trong mao mạch với không khí giàu O2 lưu thông trong ống khí. 5. Quá trình hô hấp 5.1. Thông khí Khí oxi khuếch tán vào trong, ngay lập tức nó bị đẩy sâu khỏi bề mặt trao đổi khí. Sự cung cấp oxi từ môi trường bên ngoài sẽ có hiệu quả hơn nếu như không khí hay nước chứa oxi hoà tan thường xuyên được thay thế. Các dòng chảy tạo nên các điều kiện như thế được gọi là sự lưu thông khí, chúng tạo ra một sự chênh lệch cực đại về nồng độ hay khuynh độ khuếch tán ở hai phía của bề mặt trao đổi khí. Tham gia vào sự lưu thông khí, ở các cơ thể khác nhau có các cấu trúc khác nhau, tuy nhiên thường có sự tham gia vận động của cơ. Dòng khí trao đổi có thể là liên tục hay ngắt quãng( dòng liên tục thường thấy ở các sinh vật sống dưới nước, dòng ngắt quãng như hô hấp ở người). 5.2. Trao đổi khí ở phổi và mô * Nguyên lí chung -Nguyên lí động học PA= P.V/100 (trong đó PA: Phân áp riêng của một khí; P: áp suất hỗn hợp không khí khô; V: % thể tích của khí trong hỗn hợp).
* Cơ chế - Ở phổi, oxi khuếc tán từ phế nang đến màng phế nang và thành mao mạch phổi rồi được vận chuyển vào máu. CO2 được vận chuyển ngược lại. - Ở mô, oxi từ mao mạch mô vào dịch gian bào qua màng tế bào vào trong chất nguyên sinh, CO2 khuếc tán ngược lại. 5.3. Vận chuyển O2, CO2 Vận chuyển O2 từ cơ quan hô hấp đến tế bào và CO2 từ tế bào tới cơ quan hô hấp (mang hoặc phổi) được thực hiện nhờ máu và dịch mô. O2 trong không khí hít vào phổi (phế nang hay ống khí) hoặc O2 hoà tan trong nước khi qua mang sẽ được khuếch tán vào máu, kết hợp với hêmôglôbin hoặc hêmôxianin (các sắc tố hô hấp) được vận chuyển tới các tế bào. CO2 là sản phẩm của hô hấp tế bào khuếch tán vào máu và được vận chuyển tới mang hoặc phổi. CO2 được vận chuyển chủ yếu dưới dạng kết natri bicacbônat (NaHCO3), một sản phẩm dưới dạng hoà tan trong huyết tương qua phổi hoặc mang ra ngoài. 5.4. Hô hấp tế bào - Hô hấp tế bào xảy ra trong ty thể, cần được cung cấp O2 và sản phẩm cuối cùng là CO2 cần được đào thải. Quá trình thu nhận O2 từ môi trường ngoài và thải CO2 ra khỏi cơ thể được gọi là sự hô hấp ngoài. - Hô hấp tế bào khi có mặt oxi gọi là hô hấp hiếu khí. Quá trình này gồm 3 giai đoạn: Đường phân, chu trình Crep và chuỗi truyền electron. - Hô hấp tế bào khi không có mặt oxi gội là hô hấp kị khí. Hô hấp kị khí chi gồm đường phân và quá trình lên men tạo sản phẩm hữu cơ trung gian. 5.5. Điều hòa hô hấp a. Điều hoà hoạt động hô hấp bằng yếu tố thần kinh Hoạt động hô hấp được điều hoà bởi yếu tố thần kinh. Đó là các nhóm tế bào đặc biệt, nằm ở nửa bên phải và nửa bên trái của hành tuỷ, tạo thành các trung khu hô hấp, bao gồm trung khu hít vào và trung khu thở ra. Hai trung khu này hoạt động mang tính tự động, nhưng lại chịu sự giám sát của trung tâm ức chế nằm tại cầu não. Nếu cắt bỏ khối tế bào ở một bên hành tuỷ sẽ gây ra sự ngừng cử động các cơ hô hấp cùng bên. Phần ngoại biên gồm các nhánh tận cùng của dây thần kinh hướng tâm chuyển hưng phấn về não, nằm ở thành trong của đường hô hấp, đặc biệt trong phế quản và trong phế nang, trong các cơ hô hấp như cơ ngực và cơ bụng. Ngoài ra, phản xạ hô hấp có thể xảy ra khi kích thích ở các phần khác nhau của cơ quan hô hấp. Chẳng hạn, khi kích thích niêm mạc đường hô hấp sẽ gây phản xạ hắt hơi hoặc ho. Sự điều hoà hô hấp bằng cơ chế thần kinh Não trước
Trung khu Apneutastic
Trung khu Hít vào Trung khu Thở ra
Dây thần kinh vận động Dây thần kinh vận động
Thụ
Phổi Giãn
thích
*Vai trò của vỏ não: Ngoài hành tuỷ, các phần khác của hệ thần kinh trung ương như cầu não, vỏ não cũng có ảnh hưởng đến ra quá trình hô hấp, nên khi cơ thể ở trong những trạng thái xúc cảm khác nhau, nhịp thở, độ sâu và tính nhịp nhàng của động tác hô hấp cũng thay đổi. Chính vì vậy, người ta có thể căn cứ vào sự thay đổi đó để chẩn đoán các trạng thái hoạt động tinh thần của con người. b. Điều hoà hoạt động hô hấp bằng yếu tố thể dịch Nhịp hô hấp còn chịu ảnh hưởng của các chất hoà tan trong máu, đặc biệt là CO2 và O2. Các chất này tăng hay giảm đều là nguyên nhân gây tăng hay giảm nhịp hô hấp. Điều hoà hô hấp bằng cơ chế thể dịch chủ yếu dựa vào sự chênh lệch phân áp khí CO2 và O2 trong máu. Thực chất đó chính là sự điều chỉnh phân áp của CO2 và O2 thông qua các cơ quan thụ cảm hoá học nằm trong cung động mạch chủ và xoang động mạch cảnh. Khi phân áp khí O2 trong máu giảm sẽ kích thích các cơ quan thụ cảm hoá học, gây ra xung thần kinh, truyền tới trung khu hô hấp ở hành tuỷ, từ đó làm tăng cường hô hấp. Khi phân áp CO2 trong máu tăng, sẽ kích thích các cơ quan thụ cảm hoá học. Xung thần kinh được truyền tới trung khu hô hấp, từ đó làm tăng cường hô hấp để thải CO2. Người ta thấy rằng, sự thừa khi CO2 có thể làm tăng hô hấp lên gấp 8 lần so với bình thường. Khi đó CO2 sẽ kết hợp với H2O tạo thành axít cacbonic làm nồng độ ion H+ trong máu tăng, kích thích vào trung khu thở, gây thở gấp. Sự tích tụ CO2 và thiếu O2 trong máu của trẻ sơ sinh khi lọt khỏi bụng mẹ do dây rốn bị cắt đứt, là nguyên nhân của cử động thở đầu tiên, gây nên tiếng khóc chào đời của trẻ. B. CÂU HỎI, BÀI TẬP VẬN DỤNG Câu 1: a. Thí nghiệm “tuần hoàn chéo” của Frederic tiến hành trên chó vào năm 1890 chứng minh điều gì? Hãy trình bày thí nghiệm trên? b. Cho bảng số liệu:
1. Từ bảng trên rút ra được điều gì? 2. Tại sao sự chênh lệch của khí CO2 tuy thấp, mà sự trao đổi khí CO2 giữa máu và không khí trong phế nang vẫn diễn ra bình thường? HD: a. Thí nghiệm trên chứng minh vai trò của CO2 trong hô hấp. Tiến hành: Dùng ống nối chéo động mạch cổ của 2 con chó với nhau để máu từ cơ thể con này chảy lên não con kia và ngược lại. Sau khi đã nối như vậy, nếu bịt khí quản của một con chó(chẳng hạn chó A) gây nghẹt thở để làm tăng nồng độ CO2 trong máu của nó hoặc cho nó thở khí có nhiều khí CO2, nhịp hô hấp sẽ không tăng ở con chó A mà ở con chó B, chó B sẽ thở hổn hển do trung khu hô hấp bị máu của chó A có nhiều CO2 kích thích, trong lúc chó A vẫn thở bình thường. b. 1. Bảng cho thấy: - Liên quan đến trao đổi khí. - Chênh lệch O2 và CO2 giữa các nơi. Sự chênh lệch giữa áp suất thành phần của các khí trong máu đi tới phế nang và áp suất từng phần của các khí đó trong không khí ở phế nang: O2 là 100-40=60 đến 110-40=70 mmHg; CO2 là 47-40=7 mmHg 2. Vì: - Vận tốc khuếch tán của CO2 vào không khí trong phế nang lớn hơn O2 là 25 lần. - Bề mặt trao đổi khí rộng, ẩm ướt, thông khí, giàu mạch máu. Câu 2: Các bề mặt trao đổi khí cần những đặc điểm gì để giúp cho quá trình khuếch tán đạt hiệu quả cao hơn? - Diện tích bề mặt rộng, khả năng trao đổi khí của cơ thể với môi trường bên ngoài phụ thuộc trực tiếp vào bề mặt khuếch tán. - Bề mặt ẩm ướt rất cần thiết đối với việc hoà tan các chất khí, cho phép chúng đi qua một cách dễ dàng. Đối với đa số các loài sinh vật sống trên cạn thực vật cũng như động vật bề mặt trao đổi khí tất yếu trở thành bề mặt có thể làm tiêu hao nước. - Sự lưu thông khí. Giúp sự cung cấp khí O2 từ môi trường sẽ hiệu quả hơn. Nếu không khí hay nước chứa O2 hoà tan thường xuyên được thay thế. Các dòng chảy tạo nên điều kiện như thế gọi là sự lưu thông khí, chúng tạo ra một sự chênh lệch cực đại về nồng độ hay khuynh độ khuếch tán ở hai phía của bề mặt trao đổi khí. - Được cung cấp nhiều mao mạch máu. Máu đến phổi nhiều qua đó đảm bảo cho sự trao đổi khí nhanh và hiệu quả. - Các sắc tố hô hấp kết hợp thuận nghịch với O2 và làm tăng khả năng vận chuyển O2. nhờ sự kết hợp này mà O2 tự do còn rất ít trong huyết tương, do đó sự chênh lệch nồng độ O2 trở nên lớn hơn rất thuận lợi cho việc khuếch tán vào trong máu. Câu 3: Tại sao người bình thường có thể thở ngay cả khi không hề suy nghĩ gì (kể cả lúc ngủ)? HD: - Nhờ phản xạ hô hấp: là phản xạ không điều kiện mà trung khu nằm ở khu hành tuỷ - Phản xạ xảy ra như sau: + Phế nang xẹp kích thích cơ quan thụ cảm nằm trong thành phế nang, làm xuất hiện xung thần kinh. Xung thần kinh về trung khu hô hấp và theo dây ly tâm đến làm co các cơ thở, gây nên sự hít vào. + Khi phế nang căng sẽ kích thích cơ quan thụ cảm nằm trong thành phế nang làm xuất hiện xung thần kinh về trung khu hô hấp kìm hãm trung khu hít vào, làm dãn các cơ cơ hít vào, đồng thời kích thích trung khu thở ra, làm co các cơ thở ra gây hiện tượng thở ra. Cứ như vậy, hít vào thở ra kế tiếp nhau và liên tục diễn ra. Câu 4: Khi huyết áp giảm thì hoạt động hô hấp sẽ biến đổi như thế nào? Tại sao? HD: - Khi huyết áp giảm thì hoạt động hô hấp sẽ gia tăng. - Nguyên nhân là khi huyết áp giảm vận tốc máu sẽ giảm. Nên việc vận chuyển cung cấp O2 và loại thải CO2 sẽ giảm đi vì vậy lượng CO2 trong máu sẽ cao hơn bình thường. Sự thay đổi huyết áp cũng như hàm lượng CO2 trong máu sẽ kích thích các thụ cảm thể áp lực và thụ thể hoá học ở cung động mạch chủ và xoang động mạch cảnh rồi truyền về hành tuỷ, các trung khu hô hấp ở đây sẽ tăng cường mức hoạt động, điều khiển hoạt động hô hấp tích cực hơn để loại thải nhanh CO2 trong máu. Câu 5: a. Giải thích tại sao công nhân làm việc trong các hầm than trường có hiện tượng ngạt thở? b. Tại khi lao động nặng, những người ít luyện tập thể lực thường thở gấp hơn và chóng mệt hơn những người hay tập luyện? HD: a. Do hàm lượng O2 giảm hàm lượng CO, CO2 tăng. Hb kết hợp dễ dàng với CO taọ thành cacboxihemoglobin qua phản ứng: Hb + CO -> HbCO HbCO là một hợp chất rất bền khó phân tích, do đó mà máu thiếu Hb tự do chuyên chở vì thế cơ thể thiếu O2 nên có cảm giác ngạt thở. b. Người thường xuyên luyện tập thể lực, các cơ hô hấp phát triển hơn sức co giãn tăng lên làm cho thể tích lồng ngực tăng giảm nhiều hơn. - Những người ít tập luyện phải thở gấp mới đáp ứng được nhu cầu trđk và do vậy sẽ chóng mệt hơn. Câu 6: a. Tại sao lại có sự chênh lệch về tỉ lệ các loại khí CO2 và O2 trong không khí hít vào thở ra? b. Một số loài cá trong bụng có bong hơi. Bóng hơi để làn gì? HD: a. Nguyên nhân dẫn dến sự trao đổi khí giữa không khí trong phế nang và máu trong mao mạch phổi là do sự chênh lệch nồng độ các khí( khi thở ra nồng độ khí O2 thấp hơn và nồng độ khí CO2 cao hơn so với không khí hít vào là do khí O2 từ không khí phế nag đã khuếch tán vào máu làm giảm hàm lượng O2 trong không khí phế nang và khí CO2 từ máu khuếch tán vào phế nang làm tăng lượng CO2 trong không khí phế nang). b. Một số loài cá trong bụng có bong hơi có tác dụng: - Không dùng để thở mà để bơi, nổi. - Một số loài có buồng mang phụ để tăng diện tích trao đổi khí. Câu 7: Tại sao người ta lại dùng khí cacbogen (5%CO2 và 95% O2) để cấp cứu người bị ngất do ngạt thở mà không phải là O2 nguyên chất? HD: - CO2 kích thích trung khu hô hấp nhờ cơ quan thụ cảm CO2 ở xoang động mạch cảnh và cung động mạch chủ làm tăng phản xạ hô hấp => thở nhanh hơn. + Nếu không có CO2 => ngừng thở do không kích thích trung khu hô hấp. + Nếu Pco2 bình thường => duy trì nhịp thở bình thường. + Nếu Pco2 cao => nhiễm độc CO2 => nhức đầu, da tím tái, rối loạn tuần hoàn. Câu 8: a. Cơ chế điều hoà hô hấp được diễn ra như thế nào? b. Những dẫn chứng về vai trò của CO2 trong hô hấp. HD: a. Cơ chế điều hoà hô hấp được diễn ra như sau: Khi hít vào, phổi bị căng ra, áp lực khí trong phổi tăng, gây ra kích thích tác động lên các thụ quan của thần kinh hướng tâm đi trong dây thần kinh phế vị và thần kinh giao cảm. Xung động đó được truyền về trung khu hít vào. Trung khu này đồng thời gửi một luồng xung thần kinh đến các cơ thực hiện động tác hít vào và một luồng xung thần kinh lên trung khu ức chế ở cầu não. Trung khu ức chế gửi lệnh đến trung khu hít vào và làm ức chế cơ hít vào, đồng thời gửi một luồng xung thần kinh đến trung khu thở ra để thực hiện động tác thở ra. Các chu kì đó được lặp lại lặp lại, tạo nên nhịp hô hấp. Do đó có thể nói, hít vào là phản xạ của thở ra và ngược lại, thở ra là phản xạ của hít vào. b. - Tiếng khóc chào đời: sau khi lọt lòng, bị cắt đứt mối liên hệ với mẹ qua nhau thai, lượng CO2 sản sinh do hoạt động của các cq bên trong cơ thể tích lũy ngày 1 nhiều sẽ kích thích trung khu hô hấp phát động hoạt động của các cơ thở gây nên cử động hô hấp đầu tiên. Tiếng khóc chào đời là động tác hít vào thở ra đầu tiên để thải CO2 và lấy O2. - Ngáp: là động tác hít vào sâu và thở ra từ từ, xảy ra khi cơ thể mệt mỏi sau một ngày làm việc miệt mài nhưng vẫn giữ nhịp và mức độ hô hấp bình thường khiến không kịp thải CO2, CO2 bị tích lũy nhiều vượt quá mức bình thường, trung khu hô hấp gây hiện tượng ngáp để lấy được nhiều O2 thải bớt lượng CO2. - Thí nghiệm tuần hoàn chéo của Feredrich: Dùng ống nối chéo động mạch cổ của 2 con chó với nhau để máu từ cổ con chó này chảy lên não của con chó kia và ngược lại. Sau đó bịt khí quản con A ® [CO2] trong máu của nó tăng lên ® kích thích trung khu hô hấp ®con B thở hổn hển, con A được cung cấp lượng O2 nhiều nên nhịp thở chậm lại. Câu 9: Quá trình trao đổi khí ở côn trùng diễn ra như thế nào? Ưu điểm của hình thức trao đổi khí đó? Quá trình trao đổi khí ở côn trùng - Ưu điểm: + Hệ thống ống khí côn trùng đã giảm xuống mức tối thiểu mức hao phí năng lượng trong trao đổi khí do các ống khí trực tiếp đến các tế bào cơ thể, không tốn năng lượng chuyển khí trung gian qua hệ tuần hoàn. + Hình thức TĐK này thích nghi với một số nhóm loài động vật có kích thức nhỏ, hệ tuần hoàn hở. Câu 10: a. Giải thích vì sao bề mặt trao đổi khí của chim và thú phát triển hơn bề mặt trao đổi khí của lưỡng cư và bò sát? Hãy chứng minh sự trao đổi khí của chim hiệu quả hơn ở thú? b. Trong cơ thể người có sắc tố hô hấp là hemoglobin và mioglobin. Cả 2 loại sắc tố này đều có khả năng kết hợp và phân li oxi. Tại sao cơ thể không sử dụng mioglobin vào việc vận chuyển và cung cấp oxi cho tất cả các tế bào của cơ thể? HD: a. *Vì nhu cầu trao đổi khí của chim và thú cao hơn: - Chim và thú là những động vật hằng nhiệt nên cần năng lượng để giữ cho thân nhiệt ổn định. - Hơn nữa, chim và thú hoạt động tích cực nên nhu cầu năng lượng cao hơn. *Chứng minh sự trao đổi khí của chim hiệu quả hơn ở thú:
b. Cơ thể không sử dụng mioglobin … vì: oxi gắn với mioglobin chặt hơn rất nhiều so với hemoglobin và chỉ được giải phóng ra khi nồng độ oxi rất thấp à nếu sử dụng mioglobin vào việc vận chuyển và cung cấp oxi cho tất cả các tế bào của cơ thể thì sẽ không đáp ứng kịp thời nhu cầu oxi của tế bào, không đảm bảo cho cơ thể hoạt động được bình thường. Câu 11: a. Vì sao ở người khi hít vào gắng sức thể tích khí bổ sung ở phổi không lớn hơn 1,5 đến 2,0 lít? Ý nghĩa của hiện tượng này. b. Áp lực âm của lồng ngực là gì? Nguyên nhân tạo ra áp lực âm của lồng ngực? Nếu màng phổi bị thủng thì dẫn đến hậu quả gì? HD: a. Vì: + Khi hít vào gắng sức; lượng không khí qua phế quản, tiểu phế quản tăng tác động vào các thụ thể căng cơ hô hấp ở cơ thành phế quản, tiểu phế quản và phế nang bị kích thích phát xung thần kinh theo dây sống số X đến trung khu hô hấp thần hít vào, gây cử động thở ra. + Khi thở ra phế nang co nhỏ lại dây X không bị kích thích, trung khu hít vào không bị ức chế lại phát xung thần kinh đến cơ hô hấp và gây cử động hít vào - Ý nghĩa: là phản xạ bảo vệ tránh cho các phế nang bị căng dãn quá mức. b. Áp lực âm màng phổi là áp lực xoang màng phổi luôn thấp hơn áp suất của khí quyển - Nguyên nhân: + Phổi có hai màng ở giữa tạo thành một túi chứa khí + Khi hô hấp lồng ngưc giãn nở nhanh hơn kéo phổi nở to dần chậm hơn và có xu hướng kéo co làm khoang màng phổi bị tách rộng (Do tính đàn hồi của mô xốp ở phế nang) - Khi màng phổi thủng làm không khí từ khoang mang phổi vào xoang lồng ngực mất áp lực âm lồng ngực dẫn đến phổi xẹp dần và mất khả năng cử động hô hấp. Câu 12: a. Trình bày mối liên quan giữa hai quá trình trao đổi khí ở phổi và trao đổi khí ở mô? b. Đối với 1 số động vật hô hấp bằng phổi (cá voi, hải cẩu,…) nhờ những đặc điểm nào có thể giúp chúng lặn được rất lâu trong nước? HD: a. Mối liên quan giữa 2 quá trình này: - Sự trao đổi khí ở mô: giúp tế bào thu nhận oxi và thải CO2, CO2 tích lũy trong máu sẽ kích thích trung khu hô hấp gây ra phản xạ hô hấp. Như vậy, trao đổi khí ở tế bào là nguyên nhân bên trong của sự trao đổi khí ở phổi. - Nhờ có sự trao đổi khí ở phổi thường xuyên thì mới đủ để cung cấp oxi cho mọi hoạt động sống của tế bào và thải khí CO2 do quá trình dị hóa của tế bào tạo nên. Vậy, trao đổi khí ở phổi tạo điều kiện cho sự trao đổi khí ở tế bào. b. - Lá lách rất lớn dự trữ nhiều máu, trong máu lượng oxi rất lớn. - Hàm lượng mioglobin cao trong hệ cơ để tích lũy O2 - Để bảo tồn oxi, chúng hoạt động cơ ít, thay đổi độ chìm nổi của cơ thể trong nước 1 cách thụ động. - Nhịp tim và tốc độ tiêu thụ oxi giảm trong thời gian lặn, máu cung cấp cho cơ bị hạn chế trong thời gian lặn. Câu 13: a. Hb được gọi là sắc tố hô hấp nhờ đặc tính nào? b. Nhờ đặc tính và sự chênh lệch áp suất CO2 và O2, Hb có khả năng kết hợp với O2 và CO2 nhờ đó cung cấp O2 và lấy CO2 cho tế bào bằng các phản ứng: I. HbCO2 à Hb + CO2 II. Hb + 4O2 à HbO8 III. HbO8 à 4O2 + Hb IV. Hb + CO2 à HbCO2 Hãy cho biết các phản ứng trên xảy ra ở đâu và có vai trò gì? c. Giải thích hiệu ứng Borh? HD: a. Hb được gọi là sắc tố hô hấp: - Cấu tạo phân tử: mang được 4 phân tử O2 và 1 phân tử CO2. Mỗi phân tử Hb có 4 nhân Hem (chứa Fe2+) và 1 phân tử pr là globulin. - Là hợp chất có độ nhớt nhất định để dễ kết dính các phân tử O2 và CO2. - Mỗi phân tử globin của Hb liên kết với 1 phân tử CO2 b. Vị trí và vai trò I. Xảy ra khi máu đến phổi, điều kiện PCO2 trong phổi thấp II. Xảy ra khi máu đến phổi, điều kiện PO2 trong phổi cao III. Xảy ra ở tế bào, cung cấp oxi cho tế bào IV. Lấy CO2 của tế bào để chuyển để phổi c. Hiệu ứng Borh Sự thay đổi nồng độ CO2 ảnh hưởng đến sự phân li HbO2 Câu 14: a. Phân tích những đặc điểm độc đáo giống nhau về bề mặt trao đổi khí ở cá xương và chim mà ở thú không có được giúp cá xương và chim trao đổi khí hiệu quả với môi trường sống? b. Tại sao nồng độ CO2 trong máu tăng cao thì dẫn tới tăng nhanh trao đổi O2 trong máu? HD: a. Có 2 điểm độc đáo giống nhau là: - Có hệ thống mao mạch ở mang (phổi) sắp xếp luôn song song và ngược chiều với dòng nước chảy bên ngoài mao mạch của phiến mang (ống khí) tạo nên hiện tượng dòng chảy song song và ngược chiều giúp tăng hiệu quả trao đổi khí giữa mang với dòng nước giàu oxi qua mang. - Có sự thông khí gần như liên tục hoặc liên tục qua bề mặt trao đổi khí: + Dòng nước chảy 1 chiều gần như là liên tục qua mang nhờ hoạt động nhịp nhàng của cửa miệng, thềm miệng, nắp mang và diềm nắp mang. + Quá trình hô hấp ở phổi chim là hô hấp kép nên cả khi hít vào và thở ra ở chim đều có dòng không khí giàu oxi liên tục qua phổi (không có khí đọng như ở thú). b. *CO2 tác động lên trung khu hô hấp thông qua hệ thống thụ thể hóa học (trên cung đm chủ và xoang động mạch cảnh) mạnh hơn nhiều so với oxi dẫn đến nhanh chóng làm tăng cường phản xạ hô hấp, từ đó tăng cường trao đổi oxi. *Đặc biệt lên thụ thể hóa học trung ương nằm sát trung khu hô hấp, mặc dù tác dụng trực tiếp của CO2 lên thụ thể hóa học trung ương là yếu nhưng tác dụng gián tiếp thông qua H+ (thụ thể này rất nhạy cảm với H+) lại rất mạnh thông qua việc CO2 khuếch tán từ máu vào dịch não tủy, CO2 à H2CO3 à nồng độ H+ trong dịch não tủy tăng. *Thông qua hiệu ứng Borh: phần lớn CO2 khuếch tán vào hồng cầu và kết hợp với nước thành H2CO3 (nhờ xúc tác của enzim cacbonic anhidraza). H2CO3 phân li thành HCO3- và H+. Các ion H+ tạo ra bên trong hồng cầu kết hợp với hemoglobin để tạo ra 1 axit yếu gọi là axit hemoglobinic. Phản ứng này sử dụng mất một số hemoglobin ở bên trong hồng cầu kích thích cho oxyhemoglobin tiếp tục phân li. Vì vậy CO2 thông qua tổng số lượng H+ tăng lên sẽ làm tăng lượng oxi giải phóng ra. Câu 15: a. Dựa vào hiểu biết về các ái lực của các sắc tố hô hấp đối với oxy, hãy cho biết trong các đường cong A, B, C và D ở hình bên đường nào là đường cong phân ly oxy của hemoglobin người lớn, hemoglobin thai nhi, hemoglobin lạc đà sống trên núi cao và của mioglobin. Giải thích. b. Tại sao đường cong phân ly của hemoglobin lại có dạng gần giống hình chữ S? HD: a. Đường cong A là của mioglobin, B- hemoglobin của lạc đà núi, C- hemoglobin của thai nhi, D- hemoglobin của người lớn. - Ta nhận ra các đường cong B, C và D là của hemoglobin vì hemoglobin liên kết và nhả oxy một cách linh hoạt hơn nhiều so với mioglobin để đáp ứng chức năng vận chuyển oxy, trong khi đó mioglobin có chức năng dự trữ oxy nên có liên kết chặt hơn với oxy vì thế đường cong phân ly của nó phải là A. - Hemoglobin của lạc đà núi phải có ái lực cao hơn so với các lạc hemoglobin của người vì lạc đà sống ở vùng núi cao nơi có phân áp oxy thấp hơn so với phân áp oxy ở nơi ở của người. Vì thế nó phải có ái lực cao hơn với oxy so với ái lực của các loại hemoglobin của người. - Hemoglobin của thai nhi có ái lực cao hơn so với ái lực của hemoglobin người lớn, vì có như vậy khi hemoglobin của mẹ nhả oxy thì hemoglobin của thai nhi mới liên kết được với oxy do mẹ cung cấp. b. Đường cong phân ly của hemoglobin có dạng hình chữ S là do có sự phối hợp của 4 tiểu đơn vị của hemoglobin. Khi một trong bốn polipeptit liên kết được với oxy thì sự biến đổi cầu hình không gian của nó lại kích thích các phân tử bên cạnh thay đổi cấu hình làm tăng ái lực liên kết với oxy của nó. Như vậy chỉ cần gia tăng chút ít phân áp oxy của môi trường cũng nhanh chóng làm tăng mức độ liên kết với oxy của hemoglobin. Câu 16: a. Ở người, khi nồng độ CO2 trong máu tăng thì huyết áp, nhịp và độ sâu hô hấp thay đổi như thế nào? Tại sao? b. Sự tăng lên của nồng độ ion H+ hoặc thân nhiệt có ảnh hưởng như thế nào đến đường cong phân li của ôxi - hêmôglobin (HbO2)? Liên hệ vấn đề này với sự tăng cường hoạt động thể lực. HD: a.- Nồng độ CO2 trong máu tăng tác động lên trung khu điều hoà tim mạch ở hành não thông qua thụ thể ở xoang động mạch cảnh và gốc động mạch chủ, làm tăng nhịp và lực co của tim nên làm tăng huyết áp. - Đồng thời CO2 cũng tác động lên trung khu hô hấp ở hành não dưới dạng ion H+ làm tăng nhịp và độ sâu hô hấp. b. - Sự tăng ion H+ và nhiệt độ máu làm đường cong phân li dịch về phía phải nghĩa là làm tăng độ phân li của HbO2, giải phóng nhiều O2 hơn. - Sự tăng giảm về ion H+ và nhiệt độ máu liên quan đến hoạt động của cơ thể. Cơ thể hoạt động mạnh sẽ sản sinh ra nhiều CO2 làm tăng ion H+ và tăng nhiệt độ cơ thể cũng sẽ làm tăng nhu cầu oxi, nên tăng độ phân li HbO2 giúp giải phóng năng lượng. Câu 17: Để tối ưu hóa hiệu quả trao đổi khí thì bề mặt hô hấp phải có những đặc điểm gì? Giải thích đặc điểm cấu tạo cơ quan hô hấp của chim thích nghi với đời sống bay lượn. HD: - Đặc điểm của bề mặt hô hấp: + Bề mặt hô hấp cần phải mỏng, rộng và ẩm ướt để các chất khí dễ dàng khuếch tán. + Có mạng lưới mao mạch phát triển và thường chảy theo hướng ngược chiều với dòng khí đi vào để làm chênh lệch phân áp các chất khí giữa hai phía của bề mặt hô hấp. - Đặc điểm cơ quan hô hấp của chim: + Dòng máu chảy trong các mao mạch trên thành ống khí ngược chiều với dòng khí đi qua các ống khí. + Phổi của chim gồm nhiều ống khí song song và các túi khí có thể co giãn giúp cho việc thông khí qua phổi theo một chiều và luôn giàu ôxi cả khi hít vào và khi thở ra. PHẦN III - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Chuyên đề là nguồn tài liệu tham khảo cho giáo viên dạy chuyên đề Hô hấp ở động vật, đặc biệt là học sinh trong các lãnh đội tham dự các kì thi học sinh giỏi các cấp. Đây là phần kiến thức tương đối khó nên việc nghiên cứu kĩ chuyên đề này sẽ giúp các em nắm được những kiến thức cơ bản và khái quát nhất trong chương. Tuy nhiên, chuyên đề được viết trong một thời gian ngắn, để có tính hiện thực toàn diện cần một thời gian nhất định và sự đầu tư nghiên cứu sâu sắc. Vì vậy, rất mong nhận được sự góp ý và tham gia của đồng nghiệp cùng các em học sinh để chuyên đề được hoàn chỉnh thêm và thực sự có ích cho công tác giảng dạy sinh học. TÀI LIỆU THAM KHẢO 2. Tài liệu giáo khoa chuyên sinh học THPT: Sinh lí động vật – NXB Giáo dục – Lê Đình Tuấn (chủ biên). 3. Bồi dưỡng học sinh giỏi sinh học sinh học THPT Sinh lí học động vật - NXB Giáo dục – Lê Đình Tuấn. 4. Tuyển tập đề thi olympic 30-4 năm 2010, 2011, 2012, 2013 và các đề thi học sinh giỏi cấp quốc gia – NXB Giáo dục. 6. Tuyển tập các đề thi HSG Quốc gia và Quốc tế các năm từ 2008 -2010 -NXB Giáo Dục. 7. Campbell biology. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
