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            魚鰓的工作原理:魚能吸水里的氧氣卻不能吸空氣里的氧氣?

            發表時間:2022/4/8 16:01:23  瀏覽次數:1784  
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            魚類可以在水中呼吸獲取氧氣,這是水中生物的基本技能,就和陸地生物需要用口鼻呼吸一樣。在水中,魚的呼吸是由口、口咽腔和鰓蓋的協同運動來完成。,鰓是魚類最基本、最起碼、最重要的生理器官,缺它不可。


            魚類的呼吸與眾不同

            大家都知道魚有鰓,魚在水中就是用魚鰓在過濾水體時,絲吸納水中溶解氧而生存。魚類作為水生動物,必然導致它的呼吸與眾不同,魚類的主要呼吸器官則不是鼻孔與口嘴,而是頭部兩側的鰓,利用副呼吸器官的魚類為數不多但也不常用,比如:皮膚(鰻鱺、彈涂魚等)、腸管(泥鰍)、鰓上器官(攀鱸、斗魚、烏魚等)及氣囊(肺魚)等各種器官進行輔助呼吸。

            認識魚鰓及其呼吸特點:鰓是魚類最基本、最起碼、最重要的器官
            說到魚的呼吸,可以拿人的呼吸作一對比??諝庵醒醯暮渴羌s20%,相當于一升空氣中有200毫升氧。而與之相應的,一個標準大氣壓下,一升飽和的水中含氧量卻只有10毫升左右。人呼吸空氣是回轉式的,對空氣中氧的利用率在24%左右。而水體中氧的含量低,魚要呼吸到足夠的氧,會采用呼入水體與排出水體呈現出直線的方法,且真骨魚類的水流與血流方向還呈現出相反,加上 鰓的各種增加表面積的方法,最后可達到能吸收水體中48-80%的溶解氧。

            魚鰓的結構

            在魚頭部分,兩側分別有兩塊很大的鰓蓋,鰓蓋里面的空腔叫鰓腔。掀起鰓蓋,可以看見有“鰓絲”。魚鰓的結構有鰓片、鰓絲和鰓小片。魚在水中游動時,鰓片、鰓絲、鰓小片完全張開,使魚鰓與水的接觸面擴大,以增加攝取水中氧氣的機會。在咽喉兩側各有四個鰓,每個鰓又分成兩排鰓片,每排鰓片由許多鰓絲排列組成,每根鰓絲的兩側又衍生出許多細小的鰓小片。

            認識魚鰓及其呼吸特點:鰓是魚類最基本、最起碼、最重要的器官

            但水體中的氧氣含量是遠遠低于大氣的,平時只有5mg/L(毫克/升)左右,有時低至3mg/L以下,為了從這種低氧環境中獲得氧氣,魚鰓往往具有非常特殊的結構。

            認識魚鰓及其呼吸特點:鰓是魚類最基本、最起碼、最重要的器官

            (魚鰓及其顯微結構。來源:fws.gov)

            從圖中可以看到,垂直于鰓弓整齊排列的梳齒狀或者板條狀突起被稱為鰓絲,鰓絲由薄片狀小囊袋組織結構一片一片緊密排列而成,這些結構被稱為鰓小片。鰓小片是魚鰓最基本的結構和功能單位。鰓絲排列于鰓弓之上,構成鰓片,每個鰓弓之上有兩片鰓片。

            認識魚鰓及其呼吸特點:鰓是魚類最基本、最起碼、最重要的器官

            魚類通常都具有多對鰓弓,這樣的生理結構使魚鰓的有效呼吸面積成幾何級數增加,在組織結構上確保了有效呼吸面積,讓魚類能夠有效適應水體中的低氧環境。據有人測試:一條10克重的鯽魚,鰓全部張開后面積可達17平方厘米。

            認識魚鰓及其呼吸特點:鰓是魚類最基本、最起碼、最重要的器官

            (魚鰓結構及氣血交換示意圖。來源:kuensting網站Anaxibia創作)

            為了應對水體的低氧環境,魚鰓的血管分布樣式也有講究。血管的分布使魚在呼吸時血流的方向與水流方向相反,這樣能進一步提升氣體交換效率。

            魚類的呼吸魚其實可以在空氣中呼吸

            但有沒有想過,一些既沒有鰓也沒有肺的動物是怎么呼吸的?比如水蛭、蚯蚓之類的。魚鰓有鰓上器和部分魚的皮膚、腸、口咽腔黏膜具有輔助呼吸的功能。都說魚兒離不開水,可有些魚,它不僅可以用鰓呼吸,還可以通過鰓上器、腸壁、皮膚、口咽腔黏膜來呼吸,有的魚甚至離開水幾年不死。

            烏鱧、胡子鯰具有鰓上器這個器官,烏鱧的鰓上器是由第一鰓弓的上鰓骨、部分舌頜骨伸出屈曲的骨片發展而來,呈木耳狀。胡子鲇也是鰓弓上長出,只是由第二和第四鰓弓長出的樹枝壯的肉質突起,形似珊瑚狀。這些器官的的表面都密布著豐富的微血管網上皮,只要保持其表面的濕潤,就能從空氣中呼吸氧氣,烏鱧在運輸中通過體外淋水就可以運輸十幾個小時而不死,而胡子鲇卻可以在淤泥洞穴中保持幾個月不死。其差異就是烏鱧的鰓上器是骨片演化出來,而胡子鲇是肉狀突起,吸收利用效率更高。

            鰓上器用作呼吸多少和魚鰓相關連,可有些魚的皮膚,也具有呼吸的功能。如鰻鱺、黃鱔的皮膚表面就布滿微血管,具有呼吸功能。有些魚的還可通過口咽腔黏膜來呼吸,像黃鱔,既可通過體表呼吸,也可通過口咽腔內的黏膜來呼吸,當黃鱔缺氧時,頭常伸出水面,咽喉部變得很大,以增大和空氣的接觸面,便于從空氣中呼吸氧氣。所有能參與氧氣呼吸的,其特征就是其表面有豐富的微血管,這是進化的結果,如海邊的彈涂魚,競然可以通過尾巴浸在水里呼吸。

            ,通過獲得空氣中或者水中的氧氣,方式有嚴重的缺陷

            首先,這種氣體交換膜的方式需要膜足夠薄且足夠濕潤。皮膚作為一層防御屏障,顯然還是厚一些才能提高生存幾率,大部分動物更是進化出毛發、鱗甲和角質層來增強防御能力,皮膚薄顯然是代價很高的。

            其次,氣體交換膜顯然是表面積越大獲得氧氣越多的。動物的耗氧量和體重是正相關的,即是和生物體積正相關。把生物想象成一個球,球的體積公式是4/3*πR^3,表面積公式是4πR^2。顯然隨著生物體型增加(R增大),體積增加的比表面積快,換句話說,體重增加的比皮膚增加的快,皮膚呼吸顯然承受不了增加的氧氣需求。而且很多高級器官也會增加氧氣需求,比如我們的大腦就占用總氧氣需求的20%左右。

            所以,皮膚呼吸,僅被低等動物主要使用。

            鰓的呼吸

            魚類可以在水中呼吸獲取氧氣,這是水中生物的基本技能,就和陸地生物需要用口鼻呼吸一樣。在水中,魚的呼吸是由口、口咽腔和鰓蓋的協同運動來完成。

            認識魚鰓及其呼吸特點:鰓是魚類最基本、最起碼、最重要的器官

            (魚類通過魚鰓呼吸過程示意圖。來源:kuensting網站Anaxibia創作)

            在鰓小片中有微血管,這里的表皮很薄,當血液流過這里時就完成了氣體交換;將帶來的二氧化碳透過鰓小片的薄壁,送到(出)水中;同時,吸取水中的氧,氧隨血液循環輸送到魚體各部分去。鰓小片上有豐富的小血管,是氣體交換的場所,血液和水只隔著很薄的血管壁,氧氣就是從這里進入血管的。由于口部和鰓蓋的交替開閉,可以使水不斷地由口進入口腔,經咽到達鰓腔,與鰓絲接觸,然后由鰓孔排到外面,魚類的呼吸作用就是在這個過程中完成的。

            認識魚鰓及其呼吸特點:鰓是魚類最基本、最起碼、最重要的器官

            呼吸原理

            不管是魚還是人,呼吸的器官雖然不同,但原理其實是一樣的,就是氧氣和二氧化碳的擴散現象,這是一個基于分子熱運動的輸運現象,是分子通過布朗運動從高濃度區域(或高化勢)向低濃度區域(或低化勢)的運輸的過程。這段話也許太過于學術,可以舉一個簡單的例子來幫助大家理解。

            看下面這兩杯子,首先在左邊杯子里面倒入礦泉水,然后再倒入藍色墨水,這個時候墨水跟礦泉水還是涇渭分明,下面墨水濃度高,上面濃度低。但是靜止一段時間以后,藍色墨水最終會變成右邊模樣,和礦泉水完全融合在一起,這個原理就是就是分子的擴散原理,分子總是會從濃度高的地方像濃度低的地方擴散。

            明白了擴散原理接下來我們再來看魚的呼吸,大家都知道,魚主要的呼吸器官是鰓。

            鰓位于魚的口咽腔兩側,由鰓弓、鰓耙和鰓絲組成。魚一般有5對鰓弓,內緣是鰓耙、外側2個比列的鰓片,鰓片由無數的鰓絲排列構成。

            鰓上有許多的鰓絲,鰓絲里面有密布的毛細血管。魚的鰓其實就如同低等動物的皮膚,只不過魚通過鰓絲結構來增大了氣體交換膜的表面積。柔軟的鰓被堅硬的鰓蓋保護著,鰓也滿足了氣體交換膜薄、濕潤且表面積巨大的特點。魚通過吞咽水,使得水流充分的流過鰓絲,獲得的氧氣足夠支撐自己的生命活動。


            魚鰓的呼吸原理

            魚鰓是所有魚都具備的一個器官,也是非常重要的器官,除了個別的魚(比如非洲肺魚)外,大多數的魚魚鰓還非常發達,像七鰓鰻甚至還有7個鰓孔。


            鰓是多數水生動物的呼吸器官,它的位置、形態、構造等差異很大。根據鰓的露出體外與否,可以分內鰓和外鰓兩類。

            魚的鰓大多都是內鰓,簡稱鰓,生在頭部兩側,外有鰓蓋保護,以鰓孔與外界相通。鰓由鰓片組成,鰓片上排列著梳齒狀的鰓絲,鰓絲上密布著毛細血管,是魚進行氣體交換的地方。當水通過鰓絲時,毛細血管攝取水中溶解的氧,同時把二氧化碳排到水中。

            外鰓也是水生動物的呼吸器官,一般顯露在頭后兩側,沒有覆蓋物,呈絲狀或羽狀。鯊魚的鰓和蛙的幼體的鰓都是外鰓。

            從整體上看,魚鰓可以分為兩大類:有鰓蓋和無鰓蓋,也就是前文說的內鰓和外鰓。大部分的硬骨魚是有鰓蓋的,當我們掀開鰓蓋才能看到魚鰓,而無鰓蓋的魚類常見于軟骨魚類,比如鯊魚、七鰓鰻都是沒有鰓蓋的,沒有鰓蓋的魚類鰓通常是鰓裂(鯊魚)或者是鰓孔(鰻)形態的。

            由于鰓蓋得有無,魚類氧氣攝入方式也不同,像鯊魚、金槍魚這種沒有鰓蓋的魚類,它們的鰓不能自由地開合,需要通過不斷的游動來讓更多的水流進鰓裂,從而進行呼吸,所以鯊魚的一生都在不停的快速游動,不然它很有可能會憋死。而有鰓蓋的魚類就簡單一些了,它們只需要不緊不慢地張開嘴喝下水,讓水流經鰓部,就能完成氧氣和二氧化碳的互換了。

            至于魚鰓的運行原理,有無鰓蓋的魚類原理都是一樣的,那就是讓水進入魚鰓,魚鰓中含有大量的毛細血管,可以吸收氧氣,同時將體內的二氧化碳溶解在水中,從而完成氣體交換。除此之外,魚鰓中還有大量的蛋白絲結構,這會增大受氧面積,最大程度地利用進入魚鰓的水中的氧氣。

            綜上所述,魚獲取氧氣的方式大致可以分為三種:魚鰓、體表或者口腔粘膜以及魚鰾,不同的魚類組合的方式不同,各種獲取方式的強弱也不同,而大多數魚類是主要靠魚鰓獲取氧氣的,魚鰓需要開合、保持濕潤,所以大多數魚離開水,魚鰓就無法從空氣中獲取氧氣了。

            魚鰓是魚的呼吸器官,由鰓弓、鰓隔、鰓瓣組成,鰓弓主要起支持作用,內側生有鰓耙,進鰓和出鰓血管都在鰓弓上通過。鰓弓的外緣的中央延伸的隔壁是鰓隔。鰓隔的前后面由表皮突形成鰓絲,無數的鰓絲緊密排列成櫛狀的鰓瓣。每一鰓絲都有入鰓動脈和出鰓動脈,鰓絲上有無數的小突起,用來進行氣體交換,叫作鰓小葉,上面還有毛細血管,表層為單層上皮細胞,血液最后流入竇狀隙內,結締組織形成竇狀隙的壁起支持作用,因此血液與水之間僅隔兩三層細胞,鮮活的魚鰓呈鮮紅色,就是這個緣故。這種結構使它增大了和水的接觸面積。

            魚的鰓必須泡在水里才能徹底舒展開,達到最大表面積,在鰓蓋一張一合的配合下,看起來就是魚嘴一張一合,水流過鰓絲,完成氣體交換。到了空氣中,鰓絲被水的張力黏在一起,表面積大大減小,呼吸能力大大降低。

            魚為什么在空氣中呼吸困難呢?

            當魚上岸以后,鰓絲不能保持濕潤,降低了氣體交換膜的效率;接著,鰓絲粘連不能像水中一樣展開,減小了氣體交換膜的表面積;空氣也不像水一樣可以吞咽,鰓絲也不能接觸到足夠的空氣。魚就這樣窒息了。

            鰓絲呈紅色,因為表面有許多的毛細血管,這些血管里的血流方向與水流方向相反。這導致血液里面的氧氣濃度總是低于在其旁邊流動的水中的氧氣濃度,而二氧化碳的濃度則高于水中的濃度。

            那根據我們前面講的擴散原理,水中的高濃度氧氣就會透過血管薄壁擴散到血液中,而二氧化碳則會從血液往水中擴散,這就是魚的呼吸。

            為了增大與水的接觸面,提高氣體交換效率,每條鰓絲又生出許多突起的鰓小片。

            人類的原理也一樣,只不過氧氣擴散的場所(呼吸器官)從鰓絲變成了肺泡而已。

            所以從原理上來講,只要某種流體在經過呼吸器官的時候,流體中富含的氧濃度比血液中的高,二氧化碳濃度比血液中的低,那就可以正常呼吸,不管這種流體到底是液體還是氣體。


            下雨天或者相關缺氧因素比如水質惡化和氣候因素,魚兒會露出水面而浮頭,就是因為水中氧氣不足,跑空氣中來"呼吸"。

            在水體中,從底層到表面,在正常情況下每升水中大約有4到9毫克的溶解氧,它和溫度、深度、壓力、水質等有關,在20攝氏度時在一個大氣壓下,一升純水里大約會溶解9毫克氧,溫度越高,氧氣越少。因此,水中溶解氧含量的多或少會直接威脅到魚類的生死存亡。

            認識魚鰓及其呼吸特點:鰓是魚類最基本、最起碼、最重要的器官

            偶爾出現的“魚浮頭”現象,有說法是魚想從空氣中吸取氧氣,這是不對的,也許可能魚兒會有這樣的想法而已。其實,魚在浮頭時其嘴仍然沒有離開水,只是在水的表層吸水,在吸水的同時吸收水中溶解的氧氣。因為在同等情況下,水的上層氧氣含量較水的底層、中層本來就豐富得多,魚的求生本能讓它自然而然的被迫到水表層來。

            一些可以預測天要下雨的自然現象,例如螞蟻搬家、燕子低飛,而魚兒浮頭,也是其中非常典型的一個現象。

            那么下雨天魚兒為什么要浮頭呢?這是因為氧氣在水中的溶解度受到大氣壓的影響的,大氣壓越高,氧氣溶解度也就越高,反之氣壓越低則溶解度也越低。

            下雨天大氣壓降低,導致水中的溶氧量變小,魚在水中呼吸得不到足夠的氧氣,所以只能浮到水面從空氣中來獲得充足的氧氣,,,,,,,,,,。

            當然魚兒浮頭也不一定都是要下雨,一些水域中水藻大量滋生,搶走了魚呼吸所需要的氧氣,水質變差,也會出現魚兒浮頭甚至大量死亡的現象,所以,對于魚浮頭現場非常重視,很有可能是一個危險的信號。

            ,魚可以從空氣中呼吸,是"弓"。

            前面講過,鰓絲的結構使得它展開以后的表面積非常大,可以提高從水中獲取氧氣的效率。但是離開水以后,大多數魚的鰓絲會黏連在一塊,接觸空氣的面積就變得非常小,導致攝入的氧氣量不足。另外魚在水中可以不停地吞咽水從鰓排出去,而在空氣中做不到,導致空氣流動也少。

            在民間有一種神奇的“弓魚術”,可以讓魚兒離開水以后依然存活好幾個小時甚至是一兩天,因為弓魚的蓋是打開的,鰓絲也是炸開的,接觸空氣的面積很大,魚就可以順暢地完成呼吸。

            人也可以在水中呼吸

            人類有很多夢想,夢想自己能像鳥兒一樣在天空中翱翔,也夢想能像魚兒一樣在水里暢游。在天空中飛翔,如今很多人通過飛機也許已經實現了,但是在水里暢游并自由呼吸,好像并沒有多少人聽說過,但科學家們實際上也一直在做這方面的研究。人不能長時間待在水下,最大的痛點就是無法從水中直接獲取氧氣,雖然氧氣瓶的發明一定程度地解決了這個問題,但是氧氣瓶中氧氣的含量是固定的,一旦氧氣消耗完畢,人就必須出水。

            早在二戰之前,關于液體呼吸的研究就已經被提了出來,不過真正開始相關研究還是在20世紀50年代。最早使用的呼吸液體是含氧鹽溶液,在約翰尼斯·克萊斯特拉博士的首次試驗之中,實驗動物在溶液中最長呼吸了一個小時,雖然最終還是死亡了,但死亡的原因并非窒息,因為呼吸過程所產生的二氧化碳無法順利排出,最終在體內堆積引起酸中毒。

            后來研究者克拉克和戈蘭將呼吸液體改良換成了全氟化碳,這種液體的氧氣和二氧化碳存儲量可以達到水的20倍,他們在小白鼠和小狗身上進行了實驗,在長達20小時的實驗過程中沒有一只動物出現不適。受到了克拉克和戈蘭的啟發,1969年到1975年之間,克萊斯特拉博士又對呼吸液進行了改良,并開始了人類實驗。

            最先接受液體呼吸實驗的是一位名為法爾克的美國海軍潛水員,實驗過程非常順利,且沒有出現任何不適,只可惜在實驗過后清除肺部液體時出了問題,導致他患上了肺炎。

            此后,關于液體呼吸的研究一直在不斷推進,也進行過很多相關實驗,不過在水中呼吸首先要克服窒息感,這是人的一種本能,沒有經過專業訓練很難實現。而且長時間在液體中呼吸也非常費力,甚至有人在實驗中因為呼吸用力過猛而出現了扭傷和骨折。所以理論上,液體呼吸是可行的,但是距離正式應用還有一定的距離。

            研究液體呼吸的意義,不僅在于潛水,還可以應用于醫療領域,因為對于很多肺部疾病而言,口服和注射給藥遠不如直接呼吸含藥液體更加直接有效。

            ,在2018年,國外的一個設計師就在電影中受到了啟發,仿生魚類的呼吸系統發明了一個“人造魚鰓”,不過由于人造魚鰓的不穩定性和電池的容量太小,這個發明最終也沒有量產問世。

            我們羨慕魚兒能在水里自由自在的游動,而魚兒同樣也羨慕我們在陸地上自由的奔跑,因為魚離水后都有死亡,只不過時間有長短而已,像麥穗魚、翹嘴魚它們離水后,幾分鐘就會死,而像肺魚,它們甚至能在離水的情況下生存4年之久。

            魚離水后

            魚離水后生存時間的長短,其實與它們從空氣中獲取氧氣的能力有很大的關系。那么,魚可以從氧氣含量低的水中獲取氧氣,但為什么直接從空氣中獲取氧氣的能力卻非常弱呢?我們一起來聊一聊這個問題。

            為何不同的魚離水后死亡時間差異很大?

            不同的魚離水死亡時間有著很大的區別,這與不同魚對氧氣的需求大小有很大的關系,通常底棲型魚類比淺水層的魚在離水后活得更久,這是因為水底層和上層的含氧量不同導致的。

            水中的氧氣主要是來自于空氣,也就是水溶氧,叫"氧",所以越接近水面,含氧量越高,當然,水溶氧與溫度呈反比,氣溫越高,水溶氧越低,這就是為什么夏天經常能夠看到魚浮頭的原因。

            不過,在相同的水體內,上層的氧氣含量始終要大于底層,因此底層的魚類更能適應低氧的環境,這就是為了麥穗魚、翹嘴魚出水死,稱"死",而鯽魚卻能活一段時間的原因。

            當然,除了魚類的棲息習性不同外,還有一個關鍵的因素能左右魚離水的時間,那就是直接從空氣中獲取氧氣的能力。

            對于大多數魚來說,它們從空氣中獲取氧氣的能力太弱了,這是因為大多數魚都是通過魚鰓過濾水中的氧氣來維持生命的,一旦直接從空氣中獲取,,一方面離開水后它們的魚鰓處的粘液會慢慢的變粘稠,逐漸的就無法正常開合了,這就相當于堵上了我們的口鼻,是無法呼吸的,最終只能活活的憋死。


            但是,對于一些特殊的魚類來說,離水最終雖然會死,但是它們在相當長的一段時間內是不會有問題的,比如彈涂魚和肺魚。

            彈涂魚是一種可以在地面上跳躍的魚,而且它們甚至能跳到紅樹林中低矮的樹上,變成“鳥魚”,而它離水能自由自在的原因在于:彈涂魚并不過分的依賴魚鰓的呼吸能力,它的皮膚和口腔粘膜都能將空氣中的氧氣溶解,然后供給身體。

            這種呼吸方式與蚯蚓特別的相似,因此彈涂魚只能在海岸泥地以及紅樹林,這類水分含量較大的地方跳躍,因為一旦體表被曬干,它們也就無法呼吸了,最終只有死路一條。

            肺魚與彈涂魚離水呼吸的機制是不一樣的,因為肺魚將魚鰾演化出了肺的能力。一般情況下,魚鰾是魚類調節在水中深度的工具,但是肺魚在漫長的演化中,讓魚鰾演化成了氣體交換的場所,其原理與我們的肺比較相似,這使得肺魚的魚鰓退化,基本靠“肺”呼吸。下圖為土塊里的肺魚,放入水中立即生龍活虎。

            在非洲,肺魚在旱季來臨時,會躲到泥土中,然后分泌粘液將自己包裹住,減少身體水分的蒸發,然后在所在位置的上面留一個呼吸孔,這樣它們就可以用“冬眠或者夏眠”的方式,安然的離開水生存了。

            由于肺魚在這種狀態下,身體新陳代謝降低到極致,需要的能量和氧氣都非常的少,所以它們在土塊中甚至能活4年之久。當然,正是魚鰓的退化,肺魚在水中必須定時地露出水面來呼吸。

            因此,魚離水后存活的時間長短,與它們本身對氧氣的需求量以及除了魚鰓外,從空氣中獲取氧氣的能力有很大的關系。

            保持水中溶氧充足,水體優良,把"護鰓"工作放在首位,盡量減少,!

            (西南漁業網資料綜合)

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