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鱼鳃呼吸的原理:鱼类只能吸取水里的氧气,并且多数鱼类只能用鳃来呼吸!

发表时间:2022/11/30 01:23:16  作者:刘文俊  浏览次数:20306  
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鱼类可以在水中呼吸获取氧气,这是水中生物的基本技能,就和陆地生物需要用口鼻呼吸一样。但是,水中生物不能呼吸空气,陆上动物不能在水里生存,巧妙之处就在于呼吸器官不同,一个虽然嘴却只能用鳃呼吸,一个没有鳃但能用口呼吸。在水中,鱼的呼吸是由口、口咽腔和鳃盖的协同运动来完成鳃的呼吸。因此,鳃是鱼类最基本、最起码、最重要的生理器官,缺它不可。

一、鱼类呼吸与众不同

大家都知道鱼有鳃,鱼在水中就是用鱼鳃在过滤水体时,依靠鳃丝吸纳水中溶解氧而像神一样的存在。鱼类作为水生动物,必然导致它的呼吸与众不同,鱼类的主要呼吸器官不是鼻孔与口嘴,而是头部两侧的鳃及鳃丝。另外,部分鱼的鳃上器、皮肤、肠、口咽腔黏膜具有辅助呼吸的功能,称为副呼吸器官。利用副呼吸器官的鱼类为数不多但也不常用,比如:皮肤呼吸(鳗鲡、弹涂鱼等)、肠管呼吸(泥鳅、黄鳝等)、鳃上器官呼吸(攀鲈、斗鱼、乌鱼等)及气囊呼吸(肺鱼等)等各种器官进行辅助呼吸,虽然有独特的不同呼吸方式。但它们还是仍忠情于在水里的自由呼吸。

(鱼在不停的呼吸)

(人在用鼻呼吸)

说到鱼的呼吸,可以拿人的呼吸作一对比。空气中氧的含量是约20%,相当于一升空气中有200毫升氧。而与之相对应的水中氧含量小得多,一个标准大气压下,一升饱和的水中含氧量却只有10毫升左右。远远低于大气,人呼吸空气是回转式的,对空气中氧的利用率在24%左右。而水体中氧的含量低,鱼要呼吸到足够的氧,会采用呼入水体与排出水体呈现出直线的方法,且真骨鱼类的水流与血流方向还呈现出相反,加上鳃的各种增加表面积的方法,最后可达到能吸收水体中48-80%的溶解氧。

(鱼鳃及鳃丝)

二、鱼鳃的结构

在鱼头部分,两侧分别有两块很大的鳃盖,鳃盖里面的空腔叫鳃腔。掀起鳃盖,可以看见有鳃丝。鱼鳃的结构有鳃片、鳃丝和鳃小片。鱼在水中游动时,鳃片、鳃丝、鳃小片完全张开,使鱼鳃与水的接触面扩大,以增加摄取水中氧气的机会。在咽喉两侧各有四个鳃,每个鳃又分成两排鳃片,每排鳃片由许多鳃丝排列组成,每根鳃丝的两侧又衍生出许多细小的鳃小片。

水体中的氧气含量(溶解氧)平时只有5mg/L(毫克/升,下文同)左右,有时甚至低至3mg/L以下,为了从这种低氧环境中获得足够的氧气,鱼鳃往往具有非常特殊的结构

(鱼鳃及其显微结构。来源:fws.gov)

从图中可以看到,垂直于鳃弓整齐排列的梳齿状或者板条状突起被称为鳃丝,鳃丝由薄片状小囊袋组织结构一片一片紧密排列而成,这些结构被称为鳃小片。鳃小片是鱼鳃最基本的结构和功能单位。鳃丝排列于鳃弓之上构成鳃片,每个鳃弓之上有两片鳃片。

鳃位于鱼的口咽腔两侧,由鳃弓、鳃耙和鳃丝组成。鱼类通常都具有多对鳃弓,一般有5对鳃弓,内缘是鳃耙、外侧鳃片,鳃片由无数的鳃丝排列构成,这样的生理结构使鱼鳃的有效呼吸面积成几何级数增加,增大了气体交换膜的表面积,在组织结构上确保了有效呼吸面积,让鱼类能够有效适应水体中的低氧环境。据有人测试:一条10克重的鲫鱼,鳃全部张开后面积可达17平方厘米。

(鱼鳃结构及气血交换示意图。来源:kuensting网站Anaxibia创作)

鱼鳃的鳃弓主要起支撑作用,鳃弓的外缘的中央延伸的隔壁是鳃隔。鳃隔的前后面由表皮突形成鳃丝,无数的鳃丝紧密排列成栉状的鳃瓣。每一鳃丝都连接着血管(鱼鳃呈鲜红色就是这个缘故),鳃丝上有无数的小突起用来进行气体交换,叫做鳃小叶,上面还有毛细血管,表层为单层上皮细胞,血液最后流入结缔组织形成的窦状隙内,因此,血液与水之间仅隔两三层细胞。

鱼鳃血管里的血流方向水流方向相反,虽然这样能进一步提升气体对流交换效率,但会导致血液里面的氧气浓度低于在其旁边流动水中的氧气浓度,而二氧化碳的浓度则高于水中的浓度。

三、鱼的主要呼吸方式:鳃呼吸

鱼在水里张嘴,不懂的人认为是鱼在吃水,其实除了正在滤食、吞吃食物外,这个一张一闭的动作表示正在呼吸水里的溶解氧,因为鱼的呼吸必须由口、口咽腔和鳃盖的协同运动才能联合完成,才有"一张一闭"的外在表现。鱼鳃必须在水里才能彻底舒展开达到最大表面积,到了空气中,鳃丝会被粘液黏在一起,呼吸能力大大降低甚至呼吸不成。

(鱼类通过鱼鳃呼吸过程示意图。来源:kuensting网站Anaxibia创作)

鳃小片中有丰富的微血管,表皮很薄,当血液流过这里时就完成了气体交换:将带来的二氧化碳透过鳃小片的薄壁送到(呼出)水中,同时,吸取水中的氧气(吸进)并随血液循环输送到鱼体各个机体部分去,如此"一进一出"演绎出了一个完美的生命循环

鳃小片上正因为有丰富的小血管,所以它是气体交换的主要场所体内的血液体外的水只隔着很薄的血管壁,水里的氧气就是从这里进入血管的。由于口部和鳃盖的交替开闭,可以使水不断地由口进入口腔,经咽到达鳃腔与鳃丝接触,然后由鳃孔排到外面,水就这样"前进后出"来完成鱼类的呼吸。

不管是鱼还是人,呼吸的器官虽然不同,但呼吸氧气的原理其实是一样的,就是吸进氧气和排出二氧化碳的现象。柔软的被坚硬的鳃盖保护着,鱼通过吞咽水液,使得水流充分的流过鳃丝,以此获得的氧气足够支撑自己的生命活动。

四、鱼类的特殊呼吸方式:鱼其实也可以在空气中呼吸

都说鱼儿离不开水,可有些鱼不仅可以用鳃呼吸,还可以通过鳃上器、肠壁、皮肤、口咽腔黏膜等副呼吸器官来呼吸,有的鱼甚至离开水也几年不死(比如肺鱼)。另外,一些既没有也没有的动物,比如水蛭、蚯蚓等,在没有水只要有水的滋润即可存活。

(乌鳢的鳃上器)

鱼的鳃上器,本文以乌鳢(乌鱼)、革胡子鲶(八胡鲶、塘虱)为例,乌鳢和革胡子鲶就具有鳃上器这个器官,乌鳢的鳃上器是由第一鳃弓的上鳃骨、部分舌颌骨伸出屈曲的骨片发展而来,呈木耳状。革胡子鲇也是鳃弓上长出鳃上器,只是由第二和第四鳃弓长出的树枝状的肉质突起,形似珊瑚状。这些器官的的表面都密布着丰富的微血管网上皮质,只要保持其表面的湿润,就能从空气中呼吸氧气。乌鳢在运输中通过体外淋水就可以运输十几个小时而不死,而革胡子鲇也可以在淤泥和污水中保持生存不死,有人说这是耐低氧能力强,错了,其实这是鳃上器直接呼吸空气的原因。两者的差异就是乌鳢的鳃上器是骨片演化出来,而革胡子鲇是肉状突起,吸收利用效率更高。

(八胡鲶、塘虱)

另外,有些鱼的皮肤也具有呼吸的功能。比如鳗鲡、黄鳝的皮肤表面就布满微血管,具有呼吸功能。有些鱼还可以通过口咽腔黏膜来呼吸,像黄鳝既可通过体表呼吸,还可通过口咽腔内的黏膜来呼吸,当黄鳝缺氧时,头常伸出水面,咽喉部变得很大,以增大和空气的接触面,便于从空气中呼吸氧气。所有能参与氧气呼吸的副呼吸器官,其特征就是其表面有丰富的微血管,这是进化的结果,比如海边的弹涂鱼,竟然可以通过尾巴浸在水里呼吸。

(弹涂鱼)

通过上述特殊副呼吸器官的呼吸方式获得空气中或者水中的氧气,有一定的缺陷,毕竟水生动物它们的天性是喜欢水和用鳃呼吸,所以,利用特殊器官来呼吸空气以获取氧气维持生命,多是低等动物或者水陆两栖动物所用。

五、最后

综上所述,鱼类只能吸取里的氧气,却不能呼吸空气里的氧气,并且绝大多数鱼类只能用鳃来呼吸,因此,保障鱼类生存最关键的因素有两个:一是二是。所以,在我们的水产养殖过程中,保持水质优良才能溶解氧充足,把"护鳃"工作放在重要位置,杜绝或者尽量减少缺氧发生,这是水产养殖行业的最起码要求!

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