Hayvanlarda İlginç Solunum Mekanizmaları

    Gaz Değişimi

Suya ek olarak bitkiler için en önemli besin elementi, bir gaz olan karbondioksittir. En önemli atık ürün ise yine bir gaz olan oksijendir. Hayvanlar için bunun tersi doğrudur: oksijen, etkin bir solunum yapabilmek için çok önemlidir (bu gaz olmaksızın, solunum sadece %7 etkinlikte gerçekleşebilir) ve metabolizma sonucunda atık ürün olarak karbondioksit ve su meydana gelir. Böylece, organizmaların büyük çoğunluğu için temel sorun, bir gazı elde etme ve bir diğerini vücuttan uzaklaştırmaktır.
Az önce ana hatlarını çizdiğimiz, temel olarak ikiye dallanmanın iki önemli istisnası vardır. Birincisi az sayıdaki, kemosentez yapan birhücreli organizmalardır. Bu organizmalar, oksijenin tamamen yokluğunda hiçbir belirti göstermeksizin yaşamlarını sürdürebilir ve hatta oksijene maruz kalmak bazıları için öldürücüdür. Diğer organizmalar, oksijensiz koşullar altında belirli bir süre yaşamlarını sürdürebilirler.
Fakat bu durumlarda, besinlerin solunumla yıkılımı, tamamlanmadan durur. Son ürünler, genellikle laktik asit ya da etil alkol gibi halen daha, fazla miktarda kimyasal enerji içeren nispeten büyük moleküllerdir. Böylece, oksijensiz solunum oksijenli solunumla karşılaştırıldığında çok savurgan olduğu ortaya çıkmaktadır. Bu gerçek, onun önemini azaltmaz. Bir organizma anaerobik metabolik yolu kullanarak, oksijen yokluğunda, kısa süre yaşamını sürdürebilir. Oksijensiz olarak sınırsız bir süre yaşamını sürdürebilen organizmalar, diğerlerinin yaşaması için uygun olmayan ortamlarda yayılış gösterebilirler.
Bununla birlikte, birçok ortam, mantarların, bir hücrelilerin, hayvanların ve bitkilerin solunumunun temel yöntemi olan oksijenli solunumla yaşam sürdürmeleri için uygundur. İkinci istisna, bitki solunumu ile ilgilidir. Oksijen elde etme, sadece hayvanların karşılaştığı bir sorun olarak kabullenmek çok yaygın ve yanlış bir kanıdır ve yeşil bitkilerdeki gaz değişimi, büyük ölçüde, karbondioksit alma ve oksijen verme şeklindedir. Kesinlikle bu, fotosentezle gerçekleşen bir değişimdir. Fakat, fotosentezin karbonhidrat ürünlerinin, eğer bu ürünler kullanılabilir metabolik enerji sağlamak üzere solunumla yakılmıyorsa, bitki için fazla önemi yoktur. Bu nedenle bitkiler de hayvanlar gibi, hücre solunumunu gerçekleştirmek için, devamlı olarak oksijen alı r karbondioksit verirler. Bir yeşil bitki, parlak ışığa maruz bırakılacak olursa hem fotosentezle ilgili hem de solunumla ilgili gaz değişimi gerçekleşir. Fotosentez hızı; solunum hızını büyük ölçüde aşması nedeniyle net etki, karbondioksit alınıp oksijenin verilmesi şeklinde ortaya çıkar. Elbette, yeşil bitki karanlıkta olduğu zaman ya da kışın yapraksız kaldığı zaman, bunun tersi doğrudur. Bitkiler, genellikle ölünceye kadar devamlı büyüdüklerinden, canlı bitkiler karbondioksit için net tespit edicilerdir ve böylece fotosentezle ilgili gaz değişimi, solunumla ilgili gaz değişimini aşmaktadır.

Balıkların Yüzme Kesesi

Atasal balıkların akciğerli olduğunu varsayan bir hipoteze vardır. Birçok araştırmacı, ilkin olarak ventral tarafta yer alan akciğerlerin, günümüz balıklarında gittikçe dorsal konuma kayarak yüzme kesesine dönüştüğüne inanmaktadır. Yüzme kesesinin yemek borusuyla olan bağlantısı da gittikçe dorsal konuma kaymıştır. Bu bağlantı, bazı türlerde halen daha varlığını sürdürmektedir. Fakat günümüzde yaşayan diğer türlerde bağlayıcı kanal kaybolmuş ve yüzme kesesine doğrudan giriş-çıkış, artık mevcut değildir.
Sitoplazma, tatlı sudan önemli ölçüde ve deniz suyuna göre de kısmen yoğundur. Sonuç olarak sucul organizmalar, yukarıya doğru yüzmek için enerji harcamadıkça ya da onlara su içerisinde batmama özelliği veren düşük yoğunluklu organlara sahip olmadıkça, suya batma eğiliminde olacaklardır. Aynı zamanda suyun yoğunluğu, sıcaklık ve derinlikle değişiklik gösterdiğinden, gazlar üzerine kurulmuş olan herhangi bir buoyansi (suya batmadan kalma) sistemi su basıncından (derinlerdeki) kuvvetlice etkilenecektir. Yüzme kesesi balığın bulunduğu herhangi bir derinlikle çevresindeki suyun yoğunluğuna göre kendi yoğunluğunu ayarlamak suretiyle, su içerisinde batmadan kalmasını olası kılmaktadır. (Tahmin edeceğiniz gibi, dipte yaşayan balıklar, çok nadir olarak yüzme kesesine sahiptir). Eğer balık yukarıya doğru yüzecek olursa, basınç azalmasına yanıt olarak yüzme kesesi şişecektir ve yüzme kesesini tekrar normal büyüklüğüne getirtmek için gazlar yüzme kesesinden uzaklaştırılmalıdır. Aksi taktirde balık, su yüzeyine daha hızlı çıkacaktır. Buna zıt olarak, eğer balık aşağı doğru yüzerse, gazlar yüzme kesesine ilave edilmelidir. Gazların ilave edilmesi, yüzme kesesinin duvarında yer alan ve çok sayıda kan damarıyla yakından ilişkide bulunan özel bir bez (gaz bezi) ile sağlanır. Gazların boşaltılması, genellikle yüzme kesesinin her yerinde ya da oval lob adı verilen özelleşmiş ayrı bir bölgede olur.
Yüzme kesesindeki gazların analizi, çok yüksek konsantrasyonda O2 olduğunu ortaya koymuştur. Bu konsantrasyon, çoğunlukla, çevredeki sudakinden daha yüksektir. Daha ilginç olanı ise, moleküler azotun (hayvanların bünyesinde kimyasal olarak inaktiftir) ve hatta bazen de argon gibi bağ yapmayan gazların daha yüksek konsantrasyonda olduğuydu. Normal olarak, derişim farkına zıt yönde madde biriktirilmesi, aktif taşımayla başarılabilir. Fakat oksijenin aktif taşımayla taşınması (akciğerin yapamayacağı bir iş), oldukça olağan dışı bir olay olacaktır. Ayrıca, aktif taşıma, taşınacak maddelerin kimyasal reaksiyona girmesini ister. Burada, azot ve organ gibi kimyasal olarak inaktif gazların yer alması bu olayı olası kılmamaktadır. O zaman, bu gazlar, balığın yüzme kesesinde nasıl biriktirilebiliyor? Bu soruya kısmen yanıt, Norveç’teki Oslo Üniversitesinden Johan B. Steen ‘in araştırmalarından geldi. Steen, yılanbalığındaki gaz bezine giren ve gaz bezinden çıkan ince kılcal damarlardan az miktarda kan almayı başardı. Onun analiz sonuçları, görünüşte derişim farklılığına zıt yönde olmak üzere, gazların kandan salındığına işaret etti. Çünkü kana gaz bezi tarafından salgılanan laktik asit, kanın gaz taşıma kapasitesini büyük ölçüde indirgemekteydi. Kısacası, aktif taşıma işin içerisine girmez. Gaz salgılanması, açıkça, kimyasal olmaktan çok fiziksel bir olaydır.

Trake Sistemi

Hava ile solunum yapmak için gelişmiş, içeriye doğru çöküntü yapmış solunum sistemlerinin ikinci genel tipi, trake sistemidir. Çoğu karasal eklem balıklar için tipik olan bu solunum sistemi, hayvanlar aleminde birçok kez birbirinden bağımsız olarak ortaya çıkmıştır. Burada, biz, belirli bir alana yerleşmiş solunum organı bulamayız ve kan yoluyla gazların taşınması çok az ya da önemsizdir. Buna karşın, sistem, trake adı verilen ve vücut boyunca dallanan çok sayıda küçük borucuklardan meydana gelmiştir. Trakeler ve bunları izleyen daha küçük trakeoller, her bir hücreye doğrudan hava taşıyan dallara dallanırlar. Burada hücre zarlarından difüzyon gerçekleşir.
Vücut duvarında bulunan delikler olan ve genellikle kapakçıklarla açılıp kapatılan spirakulumlar vasıtasıyla hava, trake içerisine girer. Daha büyük böceklerin bazıları, kasların kasılıp gevşemesiyle trake sistemlerini aktif olarak havalandırırlar. Fakat küçük vücutlu çoğu böcek ve epeyce büyük olan bazı böcekler görünüş olarak bu işi yapmazlar. Hesaplamalar, oksijenin havadaki difüzyon hızının, trakelerin uçlarında dış atmosferdekinden önemsiz derecede aşağıda da olsa, gerekli 02, konsantrasyonunu karşılamak için yeterli olduğunu göstermiştir. Bununla birlikte, bu tipte bir solunum sistemi, kuşkusuz böceğin erişebileceği vücut büyüklüğünü sınırlayıcı bir faktördür.
Kız böcekleri ve birgün sinekleri gibi bazı böceklerin sucul larvaları, çok sayıda trake borucuklarıyla donatılmış yaprak şeklinde ya da telek şeklinde yapılar olan trakeli solungaçlara sahiptirler. Bizim daha önce tartışmış olduğumuz diğer solungaç tiplerinde absorblanan oksijen kan içerisinde taşınmasına karşın, trakeli solungaçlar tarafından absorblanan oksijen, dışarıdaki sudan gelir ve genel trake sistemi içerisinde gaz halinde hareket eder.

Su Tasarrufu

Karasal ortamda bulunmada, organizmaların karşılaştığı en ciddi sorunlardan birisi, doku yüzeyini nemli tutmak için sürekli gerekli olan suyun kaybedilmesiydi. Karasal ortamlarda yaşayan bitkilerin ve hayvanların çoğu için, su tasarrufu bakımından özelleşmenin olması bir zorunluluktur. Gaz değişimi büyük ölçüde, geniş yüzeylere bağlı olarak gerçekleştirildiğinden, eğer bir organizma yaşamını sürdürecekse solunumla ilgili su kaybını en aza indirgeme yeteneği kendisi için çoğunlukla kritik olacaktır. Daha önce gördüğümüz gibi, bitkiler, nem azaldığı zaman stomaları kapatmak suretiyle süngerimsi mezofilin gaz-değiştirme dokusundan su kaybını büyük ölçüde engelleyebilirler.
Sonuç olarak, CO2’te gereksinimi, O2 üreten fotosentezil CO2, üretme düzeyine düşmesi ve O2 tüketen hücre solunumu olayı ortaya çıkar. Fakat bitkiler korunur. Hayvanlar için sorun, daha ciddidir. Heterotroflar metabolizmada kullanmak için kendi oksijenlerini meydana getiremezler; nefes almak zorundadırlar. Gaz değişim yüzeylerinden su kaybedilmesi, homotermal hayvanlar için özel bir sorundur. Bu hayvanların oksijen gereksinimi, özellikle düşük sıcaklıklarda daha yüksektir.
Su tasarrufunun zorluğu, solunum sistemindeki hava hareketini izlediğimiz zaman daha belirgin olur. Hava solunduğu zaman, solunum yollarını geçerek akciğere ulaşır ve burada alveollerin aşırı derecede büyük yüzey alanıyla karşı karşıya kalır. Bu hava, çok yoğun bir damar ağı sayesinde nemlendirilen ve ısıtılan solunum dokusu ile çok sıkı temas halindedir. Sonuç olarak, içeriye çekilen hava, vücut sıcaklığına gelinceye kadar ısıtılır ve gaz değişiminin etkin bir şekilde olabilmesi için nem ile tamamen doyurulur. Eğer bu nemli hava, dışarıya verilecek olsaydı hem ısı hem de su kaybedilecekti.
Solunumla kaybedilen nemi yerine koymak için, karasal hayvanlar arasında rastlanan en yaygın yol, diğer bir ters-akını değişim sisteminin kullanılmasıdır. Kurak habitatlarda yaşayan hayvanlar için strateji oldukça açıktır. Bu habitatlarda kaybedilen suyu tekrar yerine koymayı öngören seleksiyon baskısı, en şiddetli bir şekilde kendisini hissettirir. Nefes alırken hava burun içerisine girer ve akciğere hareket ederken kıvrımlı bir seri nemli dokunun üzerinden akar. Bu geçiş sırasında hava için gerekli ısı ve nemin çoğu havaya verilir, aksi taktirde bu işlerin tümü yalnızca akciğerde yapılacaktı.
Su ve sıcaklık alış-verişi, burundan akciğere kadar giden bir kademelenmeyi gerekli kılar. Buruna en yakın olan dokular, (genellikle) en soğuk havayla doğrudan karşı karşıya geldiklerinden, biraz nem ve ısı kaybederler. Sistem içerisinde hava hareket ettiği zaman, alış-veriş devam eder ve alış-verişin yapıldığı yönler arasındaki farklılık gittikçe küçülür. Akciğerlere ulaşan hava tamamıyla ısıtılır ve nemle doyurulur.
Akciğerlerden çıkan hava, çıkış yolu boyunca ters-akım sistemiyle karşılaşır. Solunum yüzeyleri ile sistemi terk eden hava arasındaki bu etkileşim, nemin çok büyük bir etkinlikle burun dokusuna geri dönmesiyle sonuçlanır. Örneğin, develerde, tamamıyla kuru olan çöl havası, akciğere giden yolda tamamı ile nemlendirilir. Fakat ters akını düzenlenmesi, dışarıya verilen havadan, nemin %95’nin geri alınmasını sağlar.

Kaynakça:
https://www.sciencedirect.com

Yazar: Taner Tunç