So sánh định lượng hiệu quả tuần hoàn hở, kín, đơn và kép

Tốc độ trao đổi chất cơ bản của một loài bò sát (tim 3 ngăn, vách ngăn tâm thất chưa hoàn chỉnh) chỉ bằng khoảng một phần năm đến một phần mười so với một loài thú cùng khối lượng cơ thể. Hãy giải thích bằng cấu trúc tuần hoàn.

Ta có ở bò sát, tâm thất chưa phân vách hoàn toàn nên một phần máu giàu O2 từ vòng phổi trở về bị pha trộn với máu nghèo O2 trước khi bơm ra hệ thống.

Máu bơm ra hệ thống mang nồng độ O2 thấp hơn máu của một loài có tim 4 ngăn tách biệt hoàn toàn, nên mỗi lít máu bơm ra giao được ít O2 hơn cho mô.

Do đó để đạt cùng tốc độ giao O2 như thú, bò sát cần bơm nhiều máu hơn hẳn — vượt quá khả năng của một tim chưa phân vách hoàn toàn; nên tốc độ trao đổi chất tối đa mà bò sát duy trì được thấp hơn nhiều, và bò sát không thể là động vật đẳng nhiệt.

Vậy giới hạn nằm ở cấu trúc tim: máu pha trộn làm giảm nồng độ O2 mỗi lít máu mang được, nên tốc độ trao đổi chất tối đa bị kìm lại — đây là lí do sinh lí, không chỉ là "bò sát máu lạnh nên chuyển hoá chậm" như cách nói thông thường.

Vậy loài này không thể tồn tại với tuần hoàn đơn: dù tim đơn hoạt động ở giới hạn tối đa, lưu lượng vẫn chỉ bằng một nửa nhu cầu tối thiểu. Loài này bắt buộc phải có tuần hoàn kép — đúng như thực tế chỉ động vật có phổi và tuần hoàn kép mới đạt tốc độ trao đổi chất đủ cao để đẳng nhiệt.

Giun đất (tuần hoàn kín, đơn giản, chưa có tim đa ngăn) đạt kích thước và mức hoạt động cao hơn hẳn một loài thân mềm tuần hoàn hở cùng khối lượng, nhưng vẫn thấp hơn nhiều so với cá — động vật có xương sống tuần hoàn kín, đơn. Hãy sắp xếp ba nhóm theo "giới hạn trao đổi chất" tăng dần và giải thích từng bậc chuyển tiếp.

Từ thân mềm (hở) sang giun đất (kín, đơn giản): có hệ mạch kín riêng cho máu chảy nên áp lực có thể tăng lên và hướng dòng được kiểm soát tới từng vùng cơ thể, thay vì chảy tự do trong xoang.

Từ giun đất sang cá: cá có tim thật (dù chỉ 2 ngăn, một vòng) tạo áp lực tập trung và ổn định hơn nhiều so với các đoạn mạch co bóp rải rác ở giun, nên lưu lượng máu và do đó tốc độ trao đổi chất tối đa cao hơn hẳn.

Vậy thứ tự là: tuần hoàn hở < kín đơn giản (giun) < kín đơn có tim thật (cá) — mỗi bậc gỡ một giới hạn khác nhau: bậc đầu gỡ giới hạn về kiểm soát hướng dòng, bậc sau gỡ giới hạn về áp lực tập trung. Đây cùng một nguyên lí với sự chuyển từ tuần hoàn đơn sang tuần hoàn kép ở Ví dụ 1 và 2, chỉ khác giới hạn đang được gỡ.