Hengitys ja lämmönsäätely

Nyt mennään vähän ehkä tylsäänkin perusbiologian aihepiiriin – hengityselimistöön. Tämän tekstin ainoa motivaattori on se, että aihepiiriin liittyviä kysymyksiä saattaa olla edessä roikkuvassa kirjatentissä. Olen ehkä maininnut aiemminkin, että asioiden jäsentely on minulle helpompaa kirjoittamisen kautta, joten sitä tässä nyt sitten tulee.

Hengittämisen edellytys on happi, minkä vuoksi hengittämisen historia ulottuu varsin kauas. Happeen perustuva energiankäyttö, palaminen, on paljon tehokkaampi tapa tuottaa energiaa elimistön tarpeisiin, kuin kemosynteesiin ja anaerobisiin menetelmiin perustuva energiankäyttö. Hapen avulla hiilipitoisten yhdisteiden käyttäminen energiaksi on siis alunalkaen tehnyt ylipäätään mahdolliseksi eliöiden koon kasvamisen .

Happi ei kuitenkaan kulje paksujen kudosten läpi. Kaasujen vaihtoon vaaditaan pinta-alaa, ja ruoka tai siitä saatava energia pitää saada siirrettyä sinne, missä sitä kaivataan. On tarvittu kudosten erilaistumista. Alkeellinen (terveisiä lukioon – alkeellinen on huono sanavalinta) hengityselimistö löytyy yhä edelleen hyönteisiltä. Niillä on keuhkoputkien kaltaiset, aina vain pienemmäksi haarautuvat hengitysputket, mutta kaasujen kulku putkissa on täysin painovoimaista.

Alkeellisemmassa systeemissä kaasujenvaihto perustuu pitoisuuseroon, jota korostetaan putkien lopussa, jossa tuleva ja lähtevä ilma kulkevat rinnakkaisissa putkissa vastakkaisiin suuntiin solukalvon läpi. Vastakkaisiin suuntiin kulkeva ilma takaa sen, että pitoisuusero pysyy koko ajan, ja kaasujenvaihto on jatkuvaa. Samaan suuntaan kulkevien kaasujen tai nesteiden kohdalla lämpötila- tai pitoisuusero vain tasaantuu. Periaate on sama, kuin lämmönvaihtimessa.

Hengitysputkien ongelmaksi nousee niiden rajallinen tehokkuus. Koska ilman määrä riippuu ilman virtaamisesta, sitä on eliön toimesta vaikea tehostaa.. Ilmaa menee juuri sen verran, kuin menee, ja painoivoimaisesti se ei jaksa välttämättä kulkea kovin pitkiä matkoja. Esihistoriallisilta ajoilta monille on tuttua metrien kokoiset hyönteiset, joiden olemassaolo on ollut mahdollista todennäköisesti vain ilman korkeamman happipitoisuuden vuoksi – sama määrä ilmaa on riittänyt suuremmalle määrällä ötökkää.

Esimerkiksi kalat säätelevät kidusten läpi virtaavaa vesimäärää levittämällä kiduksia, ja uimalla.  Happikatotilanteessa ne myös haukkovat ilmaa pinnan läheisyydessä. Vaikka vedessä onkin paljon vähemmän happea, kuin ilmassa, kidusten suuri kaasujenvaihtopinta-ala ja kidusten läpi jatkuvasti virtaava vesimäärä riittävät niiden tarpeisiin. Kalojen vaihtolämpöisyys myös laskee niiden energiankulutusta merkittävästi nisäkkäisiin nähden, mikä taas osaltaan vähentää myös hapen kulutusta. Sama koskee matelijoita ja muutamia muita lajeja, jotka voivat vaipua horrokseen. Elimistön lämpötila lasketaan niin alas, että normaalit elintoiminnot eivät ole mahdollisia, mutta hengissä säilytään talven yli.

Nisäkkäät ovat vieneet hapenkulutuksen äärimmäisyyksiin, ja myös energiaa kuluu paljon. Hyönteisiä kehittyneemmillä eliöillä on myös muita korkeaan hapenkulutukseen liittyviä piirteitä. Merkittävin on tietysti erillinen hengityselimistö (keuhkot/kidukset) , ravinnon prosessointiin erikoistunut ruuansulatuskanava, on ja nämä kaksi yhdistävä verisuonisto. Verisuonten välityksellä energianlähteet, happi ja aineenvaihduntatuotteet saadaan soluihin ja soluista pois.

Keuhkoihin perustuva energiantuotanto ei ole myöskään painovoiman ja etäisyyden rajoittamaa, sillä hengittämistä säädellään. Normaalitilanteessa hengitystiheys on leppoisa, eikä keuhkojen kapasiteettia höydynnetä maksimaalisesti. Rasituksessa energian- ja hapenkulutus nousee, ja aletaan hengittää tiheämmin, vetää henkeä syvempään. Sekä tahti että tilavuus nousevat, koska hengittämisen vuoksi tehdään työtä – pallealihas aiheuttaa toiminnallaan sisään- ja ulosvirtauksen, hengityksen rytmin.

Tällä karvamäärällä ei ole kylmä – kesällä kylläkin kuuma

Koska hengityksen eteen tehdään työtä, täytyy happea kuljettaa jatkuvasti . veren täytyy kiertää. Niinpä on tarvittu sydän, joka huolehtii veren avulla asioiden siirtelystä paikasta toiseen. Verelläkin on rajallinen kapasiteetti, joten jos hengitystiheys nousee, myös veren täytyy virrata nopeammin – rasituksessa myös syke nousee.

Korkeampi energiankulutus tarkoittaa myös lisääntynyttä lämmöntuottoa, mikä auttaa tasalämpöisiä pitämään yllä vakiintunutta ruumiinlämpoä. Lajista ja sopeutumisesta riippuen lämmönsäätelyä on tehostettu karvapeitteellä tai sen puuttumisella. Karva eristää hyvin kylmää ulos ja lämpöä sisään, ja oikein kuumillakin alueilla estää ihoa palamasta ja lämpöä pääsemästä suoraan iholle.  Toisaalta kovassa rasituksessa karva estää lämpöä haihtumasta, mikä mahdollistaa esimerkiksi lämpöhalvaukset.

Tasalämpöisillä elimistö toimii myös levossa perustasolla. ja liiasta lämmöstä täytyy päästä eroon. Keuhkojen kautta, poistettavan ilman mukana poistetaan merkittävä määrä lämpöä, mutta esimerkiksi äsken mainittu lämpöhalvaus kertoo siitä, että keuhkojen kapasiteetti yksin ei riitä, vaikka lämpöä pyrittäisiin poistamaan aktiivisesti läähättämällä. Läähättäessä ja huohottaessa osa jäähdytyksesta perustuu kuolan haihtumiseen, mutta suun alueen limakalvojen haihduttamispinta-ala on verrattain pieni.

Monet eläimet ovat valjastaneet myös ihon lämmön poistoon, ilmiö tunnetaan hikoiluna. Rasituksessa elimistön pintaverisuonet laajenevat, ja niiden kautta kulkee runsaasti verta. Ihon välittömässä läheisyydessä veren sisältämä lämpö pääsee siirtymään iholle, ja kun vielä lisätään nesteen eritys iholle, mikä puolestaan viilentää ihoa, lämmönpoisto on yleensä varsin tehokasta. Hikoilun varjopuoliin taas kuuluu sen vaikutus nesteen ja elektrolyyttien kulutukseen.

On mielenkiintoista huomata, miten erilaisia sovellutuksia ja erilaisiin tarkoituksiin elämänhistorian aikana on syntynyt. Vaikka hyönteisten järjestelmää tulikin nimitettyä alkeelliseksi, sen on pakko olla toimiva hyönteisten tarpeiseen, sillä se on säilynyt muutamia miljoonia vuosia ihan samanlaisena, eikä hyönteislajien määrä nykyisellään ole mitenkään vaatimaton.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.