Bài học

So sánh trao đổi khí ở cá và ở người

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em mô tả được cơ chế dòng chảy ngược chiều ở mang cá, so sánh được cấu tạo mang với phổi theo bốn đặc điểm đã học, và giải thích được vì sao cá không thể sống lâu ngoài nước dù không khí có nhiều oxygen hơn nước.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước em đã học bốn đặc điểm chung của một bề mặt trao đổi khí hiệu quả — rộng, mỏng, ẩm, nhiều mạch máu — và biết mang cá, phổi thú đều thoả các đặc điểm này (same-grade bridge). Bài này đi sâu vào một khác biệt quan trọng: nước hoà tan được ít oxygen hơn hẳn không khí, và mang cá phải có thêm một cơ chế riêng để bù lại điều đó.

Khởi động

Một con cá vớt lên khỏi mặt nước, dù xung quanh vẫn đầy không khí giàu oxygen, chỉ sau vài phút đã ngộp thở và chết. Cùng lúc đó, các phiến mang của nó dính bết vào nhau như một chùm tóc ướt. Không khí có nhiều oxygen hơn nước, vậy vì sao cá lại chết ngộp giữa một môi trường 'giàu oxygen' hơn cả nơi nó vẫn sống?

Kiến thức trọng tâm

Không khí chứa một tỉ lệ oxygen khá cao và khá ổn định. Nước thì khác hẳn: oxygen chỉ hoà tan được vào nước với lượng rất nhỏ so với không khí, và lượng đó còn giảm thêm khi nước ấm lên hoặc bị ô nhiễm. Vì nguồn oxygen trong nước vốn đã khan hiếm, mang cá cần một cơ chế hấp thụ đặc biệt hiệu quả — hiệu quả hơn nhiều so với cách phổi lấy oxygen từ một môi trường vốn đã giàu oxygen sẵn.

Cơ chế đó là dòng chảy ngược chiều. Nước chảy liên tục qua các phiến mang theo một hướng, trong khi máu bên trong mao mạch của phiến mang lại chảy theo hướng ngược lại. Nhờ vậy, tại bất kỳ điểm nào dọc theo phiến mang, dòng máu luôn gặp dòng nước có nồng độ oxygen cao hơn nồng độ oxygen trong chính dòng máu tại điểm đó — kể cả ở đoạn cuối phiến mang, nơi máu đã hấp thụ được khá nhiều oxygen. Nhờ luôn duy trì được chênh lệch nồng độ như vậy suốt chiều dài phiến mang, cá hấp thụ được phần lớn lượng oxygen ít ỏi có trong nước, thay vì bỏ sót phần lớn như khi hai dòng chảy cùng chiều.

Phổi người hoạt động theo cách khác hẳn: không khí đi vào rồi lại đi ra qua cùng một đường dẫn — hít vào, thở ra luân phiên — chứ không phải một dòng chảy một chiều liên tục như nước qua mang. Cách này đơn giản hơn cơ chế dòng chảy ngược chiều của cá, nhưng vẫn đủ hiệu quả, vì không khí vốn đã chứa nhiều oxygen hơn nước rất nhiều — phổi không cần 'vắt kiệt' từng phân tử oxygen như mang cá phải làm.

Mang cá dùng dòng chảy ngược chiều để bù cho lượng oxygen ít ỏi trong nước; phổi người dùng cơ chế đơn giản hơn vì không khí đã giàu oxygen sẵn.

Ví dụ

Giải thích vì sao dòng chảy ngược chiều hấp thụ oxygen tốt hơn dòng chảy cùng chiều

1
Vì sao máu chảy ngược chiều với dòng nước qua mang giúp cá hấp thụ được nhiều oxygen hơn so với trường hợp máu chảy cùng chiều với dòng nước?
2
Nếu máu chảy cùng chiều với nước, nồng độ oxygen trong máu sẽ tăng dần khi máu đi dọc phiến mang, trong khi nồng độ oxygen trong nước lại giảm dần vì đã nhường bớt oxygen cho máu — tới cuối phiến mang, nồng độ hai bên gần bằng nhau, quá trình khuếch tán gần như dừng lại dù nước vẫn chưa hết oxygen.
3
Khi máu chảy ngược chiều với nước, ngay tại điểm cuối phiến mang — nơi máu sắp rời mang với nồng độ oxygen đã khá cao — nó vẫn gặp dòng nước mới vừa vào, còn giàu oxygen; chênh lệch nồng độ vì vậy được duy trì gần như suốt chiều dài phiến mang.
4
Duy trì được chênh lệch nồng độ liên tục nghĩa là khuếch tán không bị chậm lại giữa chừng, nên tổng lượng oxygen máu hấp thụ được cao hơn hẳn so với dòng chảy cùng chiều.
5
Vậy dòng chảy ngược chiều giúp mang cá hấp thụ được phần lớn oxygen có trong nước, đúng như đặc điểm 'nhiều mạch máu bao quanh, duy trì chênh lệch nồng độ' của một bề mặt trao đổi khí hiệu quả.

Ví dụ

Vì sao cá ngộp thở khi bị vớt lên khỏi mặt nước (dạng đề kiểm tra)

1
Không khí chứa nhiều oxygen hơn hẳn nước, nhưng một con cá bị vớt lên khỏi mặt nước lại ngộp thở và chết chỉ sau vài phút. Giải thích hiện tượng này.
2
Khi còn trong nước, lực đẩy của nước nâng đỡ các phiến mang tách rời nhau, giữ diện tích tiếp xúc lớn với dòng nước chảy qua. Khi rời khỏi nước, mất lực nâng đỡ đó, các phiến mang mỏng sụp xuống và dính bết vào nhau.
3
Các phiến mang dính chặt vào nhau làm giảm mạnh diện tích bề mặt còn tiếp xúc được với không khí xung quanh, vi phạm chính đặc điểm 'diện tích rộng' cần thiết cho trao đổi khí hiệu quả.
4
Mang cũng nhanh chóng bị khô trong không khí, trong khi khí chỉ khuếch tán qua được một bề mặt còn ẩm ướt — mang khô gần như mất hẳn khả năng trao đổi khí.
5
Vậy cá ngộp thở ngoài không khí không phải vì thiếu oxygen xung quanh, mà vì mang mất cả diện tích tiếp xúc lẫn độ ẩm cần thiết — hai trong bốn đặc điểm bắt buộc của một bề mặt trao đổi khí hiệu quả.

Sai lầm thường gặp

Một nhầm lẫn thường gặp là nghĩ cá chết ngộp trên cạn vì 'không khí không có oxygen cho cá thở'. Thực ra không khí có nhiều oxygen hơn nước; vấn đề nằm ở cấu tạo mang — vốn chỉ hoạt động tốt khi được nước nâng đỡ và giữ ẩm — chứ không nằm ở lượng oxygen xung quanh. Một nhầm lẫn khác là nghĩ dòng chảy ngược chiều chỉ giúp mang 'nhanh hơn' — thực ra tác dụng chính là duy trì chênh lệch nồng độ suốt chiều dài phiến mang, giúp hấp thụ được nhiều oxygen hơn, không chỉ nhanh hơn.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Mang cá dùng dòng chảy ngược chiều để duy trì chênh lệch nồng độ oxygen suốt chiều dài phiến mang, bù cho lượng oxygen ít ỏi trong nước; phổi người dùng cơ chế đơn giản hơn vì không khí đã giàu oxygen sẵn. Cá ngộp thở trên cạn vì mang mất diện tích và độ ẩm, không phải vì thiếu oxygen xung quanh.

Khí khổng ở lá, da giun đất, mang cá, ống khí côn trùng, phổi thú — tất cả những cơ quan vừa học đều chỉ giải quyết việc lấy khí vào và thải khí ra. Bài ôn tập tiếp theo ghép lại toàn bộ những cơ chế này để em thấy rõ nguyên tắc chung xuyên suốt cả chương.