هوا چگونه به جانوران داخل آب میرسد

ماهی چگونه در آب نفس می کشد؟

مجموعه: چرا ، زیرا و چگونه

ماهی چگونه در آب نفس می کشد؟
اگر ماهی را از آب بگیرید خیلی زود به علت کمبود اکسیژن می میرد; هیچ از خود پرسیده اید که چرا این وضعیت بوقوع می پیوندد؟ در حالیکه مقدار اکسیژن موجود در حجم معینی از آب تنها یک سیزدهم مقدار اکسیژن موجود درهمان حجم از هوا است!

چرا وقتی در محیط جدید مقدار اکسیژن سیزده برابر می شود، ماهی به علت کمبود اکسیژن می میرد؟!
بدون شک این رویداد پی آمد عدم توانایی ماهی در وفق یابی با محیط تازه است، لذا بایستی به بررسی مکانیزمی در بدن ماهی بپردازیم که قادر نیست از اکسیژن غنی هوا استفاده نماید اما می تواند مسئله بزرگ استخراج اکسیژن را که به مقدار ناچیز در آب وجود دارد برای خود حل نموده و اکسیژن مورد نیاز خود را به این روش تامین نماید.

یک ماهی صدگرمی رودخانه ای در حال استراحت حدود ۵سانتیمترمکعب اکسیژن در ساعت احتیاج دارد و وقتی فعالیت عادی خود را شروع نماید سه تا چهار برابر این مقدار اکسیژن نیاز دارد. اگر راندمان مکانیزم تنفسی آن در انتقال اکسیژن صددرصد باشد این ماهی بایستی در هر دقیقه ۱۵تا۳۰ سانتیمترمکعب آب را از سطح تنفسی اش عبور دهد تا اکسیژن مورد نیاز خود را تامین نماید.

جابجا کردن چنین مقدار اکسیژنی در هوا مشکل نیست، اما در آب کار و فعالیت زیادی را می طلبد زیرا چگالی آب تقریبا هزار برابر هوا، و غلظت و چسبندگی اش هم حدود صد برابر است. در انسان فقط یک الی دو درصد از اکسیژن دریافتی در ماهیچه ها برای کار شش ها مصرف می شود اما در ماهیان این مقدار بسیار بیشتر می باشد از طرفی سرعت انتشار اکسیژن در آب ۳۰۰هزار برابر آهسته تر از هوا می باشد.

پس چگونه یک ماهی بر این مسائل غامض فائق می آید؟

مسائلی که بسیار عظیم تر از مسائل تنفسی مهره داران زمینی می باشد و چرا ماهی در شرایطی بسیار آسان تر برای تنفس در روی زمین می میرد؟ قسمتی از جواب به این سوالات در ساختار مکانیزم تنفسی ماهی و طبیعت جریان روی آنها نهفته است. آبشش های ماهی از یک سری از صفحات بدقت تقسیم شده تشکیل شده اند که در نتیجه سطح زیادی را برای تماس با آب ایجاد می نمایند و آب در یک جهت از روی آنها عبور می نماید که این با جریان کشندی در شش پستانداران تفاوت دارد.

زمانی که ماهی از آب بیرون آورده می شود و در معرض هوا قرار می گیرد از دست رفتن پشتیبانی آب همراه با کشش سطحی سبب کوچک شدن شدید سطح آبشش ها می گردد که نتیجه این عمل در اکثر موارد کاهش شدید دریافت اکسیژن و مرگ خواهد بود.
کل سطح تنفسی در تماس با جریان آب بین ماهیان مختلف متفاوت است و این منطبق با حجم فعالیت هر گونه ای از ماهیان می باشد. برای مثال در ماهیان بسیار فعال مانند ماهی خال مخالی این سطح بیش از ۱۰۰۰میلیمترمربع برای هر گرم وزن بدن ماهی است که از ده برابر سطح خارجی بدن ماهی بزرگتر است.

برای اندازه گیری راندمان مکانیزم استخراج اکسیژن از آب، توانایی ماهی را در استخراج ۸۰درصد اکسیژن محلول در آبی که از سطوح برانش ماهی عبور می نماید مورد نظر قرار می دهند درصورتیکه بیشترین راندمان برای یک انسان که بتواند با ورزش و تنفس شکمی یعنی تنفس از ته شش ها که این عمل در ورزش هایی مثل «تای چی چوان» و «یوگا» آموزش داده می شود فقط استفاده از ۲۵درصد اکسیژن موجود در هوا امکانپذیر است.

چنین راندمان بالایی در ماهیان بوسیله ویژگی ضدجریان تامین می شود، که رابطه ای است بین جریان خون در بدن ماهی و جریان آب و مکانیزم قدرتمند پمپاژی که بطور مستمر آب را از سطوح آبشش در تمام مدت چرخه تنفسی عبور می دهد.

جریان ضدجریان بین جریان خون و جریان آب
اصول جریان ضدجریان در بسیار از موارد مختلف در بدن جانوران اتفاق می افتد که بدین وسیله مبادله موثر مواد محلول یا گرما بین دو مایع در جریان بوقوع می پیوندد این چنین سیستمی از گذشته های دور بوسیله مهندسین در مکانیزم مبادله گرما کاربرد داشته است کسی که برای اولین با اهمیت این پدیده را در فیزیولوژی حیوانات کشف کرد «ون دام» بود که در سال ۱۹۳۸چگونگی عمل این پدیده را در آبشش ماهیان شرح داد.

این پدیده بدین گونه است که وقتی خون در جریان خروجی در آبشش ماهیان که کاملا از اکسیژن تهی شده است با جریان آب پر از اکسیژن برخورد می نماید بر اثر کشش زیادی که در اکسیژن آب وجود دارد(بسیار بیشتر از خون همجوارش می باشد) اکسیژن از آب به خون انتقال می یابد.این راندمان بالا به همین ضدجریان بستگی دارد زیرا اگر ما بصورت تجربی جریان آب عبورکننده از آبشش ماهیان را برعکس نماییم استخراج اکسیژن از۵۱درصد به ۹درصد کاهش می یابد. برای راندمان حداکثر، لازم است دو محلول آب و خون با همدیگر تماس نزدیکی را حاصل نمایند و سرعت جریان هر یک نسبت به دیگری تنظیم شود.

فاصله ای که در آن اکسیژن آب به گلبول های خون ماهی انتقال می یابد بسیار کوچک است زیرا گلبول های خون ماهی تقریبا به نازکی پهنای صفحات برانش ماهیان که در آنها گردش خون و آب صورت می گیرد، می باشند. خارج از این صفحات آب از هر دو طرف عبور می نماید و همچنین رابطه ای بین ضربان قلب ماهی و فرکانس تنفسی ماهی وجود دارد که بصورت یک مکانیزم واکنش دار حجم خون عبورکننده از برانش ها را تنظیم می نماید ضربان قلب معمولا از فرکانس تنفسی آهسته تر می باشد و در بعضی موارد قلب با فازهای ویژه ای از سیکل تنفسی همزمان می شوند.

اما این همواره در کلیه گونه ها روی نمی دهد، برای مثال در ماهی قزل آلا فرکانس تنفسی با ضربان قلب تقریبا مساوی است و به تدریج این دو فرکانس خارج از این نظم می گردند هرچند که قلب تمایل دارد که وقتی دهان ماهی بسته است ضربه زند و در سایر موارد اغلب ضربان قلب از فرکانس تنفسی آهسته تر می باشد. این چنین مکانیزمی این اطمینان را ایجاد می نماید که همواره مقدار کافی آب برای تامین اکسیژن خون ماهی در دسترس باشد و این بسیار مهم است زیرا حجم معینی از خون ماهی می تواند حدود ۱۰تا۱۵ برابر مقدار اکسیژنی را که همان حجم آب حمل می نماید دریافت کند.