эффективность дыхания гигантских насекомых

[Эрнесто де Сырно]

Что-то когда читал эту тему http://fai.org.ru/forum/topic/45722-perenos-sela-v-karbon/?page=28#comment-1551195 возник вопрос, насколько эффективны органы дыхания гигантских насекомых. Мы хорошо знаем, что в наши дни нет крупных насекомых. И весь крупный размерный класс на суше заняли позвоночные, у которых кислород переносится гемоглобином крови. Насекомые дашат за счет системы трахей - очень узких трубок, пронизывающих все тело. Раньше в какой-то умной книге ( не помню, в какой) вычитал, что из за недостаточно быстрого переноса кислорода диффузией гигантские насекомые не смогли конкурировать с позвоночными. И вдруг задумался, так ли это.

По идее в одном литре крови и в одном литре воздуха содержится одинаковое количество кислорода. Если кровеносную систему позвоночного, вместо всех кровеносных сосудов сделать систему трахей такого же сечения, и с такой же геометрией, но с прокачиванием через нее воздуха вместо крови... То будет ли такая система работать? По идее, при том же сечении воздуху будет оказываться меньшее сопротивление, так как сопротивления пропорционально плотности. Во всяком случае, когда я дома проводил эксперименты, воздух проходил и через фильтры, и через длинные трубки гораздо легче, чем вода. Значит ли это, воздуху сосуды будут оказывать меньшее сопротивление, чем крови?

Кто-то утверждал, что если пронизать все тело гагантского насекомого сетью воздушных трубок-трахей, то для приемлемого дыхания потребуется слишком большое количество трубок слишком большого сечения, и у нас получится насекомое-воздушный шар. Но так ли это? Как раз по длинным трубками воздух имеет наиболее хорошо проверенное экспериментом преимущество.

У мненя все сильнее и сильнее складывается впечатление, что я что-то не понимаю в гигантских насекомых. Что я делаю не так? Почему кровь переносит кислород лучше чем воздух, и почему нет гигантских насекомых в наши дни?

[Labinnac]

То будет ли такая система работать?

Высыхание организма и смерть.

[Crusader]

У мненя все сильнее и сильнее складывается впечатление, что я что-то не понимаю в гигантских насекомых. Что я делаю не так? Почему кровь переносит кислород лучше чем воздух, и почему нет гигантских насекомых в наши дни?

 Очень просто. Трахея куда как менее эффективна, чем даже примитивное лёгкое так как трахея работает на другом уровне. Трахея - это пассивный газообмен на локальном уровне. Трахея больше 1 см длиной уже неэффективна так как не обеспечивает нужный объём и скорость газообмена. Собственно, у жука-голиафа трахеи в районе сантиметра длиной и есть и это предел для нашей атмосферы с 20-21% кислорода. Раньше, когда кислорода было до 30% состава - трахеи могли быть больше и насекомые были больше.

 А сейчас только нормальные лёгкие или масс-габарит жука-голиафа/исполинского палочника - предел. 

 Что занятно, наземные ракообразные вырастают до куда больших размеров, чем насекомые, но там есть существенное отличие - у них всё же кислород переносит медьсодержащая кровь, но из воды он извлекается лишь чуть менее примитивными, чем трахеи жабрами-выростами ходильных ног. Просто даже столь примитивные жабры - это уже другой уровень всей системы из-за того, что гемоцианин делает перенос кислорода не локальным, а централизованным. Т. е. размер трахей у насекомых линейно зависит от размера. Чем больше насекомое - тем больше должны быть трахеи и их количество и наоборот.

 У ракообразных такой проблемы нет - у них под головогрудью жабры или лёгочные мешки и им нет нужды в каждом членике тела иметь трахею так как кислород централизованно доставляется по телу кровью, понукаемой сердцем/сердцами. Т. е. Активный газообмен. 

[Эрнесто де Сырно]

Высыхание организма и смерть.

Для того, чтобы обеспечить организм кислородом, через легкие и через трахеи надо перегнать примерно одинаковый объем воздуха, и потерять примерно одинаковый объем воды. 

Трахея - это пассивный газообмен на локальном уровне.

А если сделать принудительную циркуляцию воздуха через трахеи? 

Прямой эксперимент показывает, что продавить через систему трубок воздух гораздо проще, чем воду. 

Ну и парочка чисто биологических возражений. У человека трахея имеет меньшее сечение, чем аорта. При этом через трахею проходит больший объем газа, чем крови через аорту - ведь в аорте кровь двигается в одном направлении, а в трахее - и на вдох, и на выдох. 

Опять же, у ракообразных была гемолимфа, которая хорошо переносила кислород. Но насекомые от нее отказались. Случайно не потому, что система трахей лучше? 

Изменено 25 Apr 2019 пользователем Эрнесто де Сырно

[Илья]

Почему кровь переносит кислород лучше чем воздух, и почему нет гигантских насекомых в наши дни?

Потому что воздух сжимаем. И может застаиваться в отдельных частях тела. Т.е. обмен ненадежен. А кровь несжимаема, упруга и как следствие кровообмен при достаточной площади тела на порядок надежней.

 

 

[Илья]

Во всяком случае, когда я дома проводил эксперименты, воздух проходил и через фильтры, и через длинные трубки гораздо легче, чем вода.

БББ. ЛЛЛ. ЯЯЯ. Рассмотрим применительно к человеку.

Общая длина кровеносных сосудов человеческого тела составляет 100 000 километров. Сто тысяч километров. 

Газ в отдельных частях тела будет застревать, т.к. он склонен к сжатию. Т.е. получится парадоксальная ситуация, когда в одной части тела воздуха до фига,  А в другой нет вообще и эта часть уже умерла и гниет.

Чтобы такого не было, надо гонять воздух под запредельным давлением, которого обеспечить мы не в силах. 

А вот с жидкостью все на два порядка проще. Гидравлический привод эффективней воздушного.

Вот потому-то и возможны только небольшие насекомые с таким способом дыхания, за который Вы ратуете. 

Изменено 25 Apr 2019 пользователем Илья

[Crusader]

Прямой эксперимент показывает, что продавить через систему трубок воздух гораздо проще, чем воду. 

 А какая разница?

 Разница в том, что трахея у насекомого есть просто дырка через которую идёт диффузия. И как вы воздух там не прогоняйте - один чёрт кислорода с этого будет мало.

[Zenitchik]

Разница в том, что трахея у насекомого есть просто дырка через которую идёт диффузия

Вы что-то путаете. Практически все насекомые активно прокачивают воздух через своё тело. Газообмен диффузией происходит не в масштабах тела, а только в масштабах наименьших разветвлений трахей, которые уже глухие.

Опять же, у ракообразных была гемолимфа, которая хорошо переносила кислород. Но насекомые от нее отказались.

С чего Вы взяли, что ракообразные не выработали её позже, чем от них ответвились насекомые?

[Эрнесто де Сырно]

Потому что воздух сжимаем. И может застаиваться в отдельных частях тела.

Так сжимаемость - наоборот преимущество. Если сделать какой-то насос, который прокачивает воздух через сосуды, то за счет сжатия можно будет продавить еще больший объем. Впрочем, у животных давления используются обычно небольшие, особой разницы от сжимаемости они не получат. 

Газ в отдельных частях тела будет застревать, т.к. он склонен к сжатию. Т.е. получится парадоксальная ситуация, когда в одной части тела воздуха до фига,  А в другой нет вообще и эта часть уже умерла и гниет. Чтобы такого не было, надо гонять воздух под запредельным давлением, которого обеспечить мы не в силах. 

Не понял, что вы имеете в виду. Еще раз напомню, что воздух через трубку прокачать проще, чем воду при том же сечении.

.е. получится парадоксальная ситуация, когда в одной части тела воздуха до фига,  А в другой нет вообще и эта часть уже умерла и гниет.

А что мешает её решить так же как решается проблема с равномерным распределением крови. Просто увеличивать сечение сосудов в тех местах, где кислород нужен, и уменьшать в тех, где он не нужен. И вообще, в наших легких эта проблема как-то решается. В тканях насекомого можно использовать точно такой же подход. И почему вы считаете что сжимаемость воздуха должна мешать, никак не пойму. Возьмите трубку, попробуйте прогнать через нее сначала воду, потом воздух. Почувствуйте, где давление нужно больше. 

[Эрнесто де Сырно]

А вот с жидкостью все на два порядка проще. Гидравлический привод эффективней воздушного.

В гидравлическом приводе давление жидкости является самоцелью, и работу совершает именно давление умножить на объем. Если целью является именно транспортировка кислорода, то растворять его в жидкости не так эффективно, как прогнать по той же трубки газообразный кислород. Ведь объем после растворения меньше не станет, а вот давление придется увеличить. 

 

[Crusader]

Вы что-то путаете. Практически все насекомые активно прокачивают воздух через своё тело. Газообмен диффузией происходит не в масштабах тела, а только в масштабах наименьших разветвлений трахей, которые уже глухие.

 Намеренно упростил.

 Именно эти разветвления и усваивают кислород, ЕМНИП.

 Смысл в том, что чем больше насекомое - тем больше нужно будет этих "наименьших разветвлений", но при определённом размере они перестают справляться и это лимитирует массо-габаритные показатели насекомых.

[Эрнесто де Сырно]

Смысл в том, что чем больше насекомое - тем больше нужно будет этих "наименьших разветвлений", но при определённом размере они перестают справляться и это лимитирует массо-габаритные показатели насекомых.

А что мешает сделать так, чтобы наименьшие глухие разветвления соединялись с сосудами с принудительной прокачкой воздуха? Или вообще сделать альтернативных насекомых, у которых все воздушные сосуды не глухие, а после разделения на наименьшие, вновь собираются в большой сосуд? 

 

[Илья]

Не понял, что вы имеете в виду. Еще раз напомню, что воздух через трубку прокачать проще, чем воду при том же сечении.

Читайте, что написано. 

Общая длина кровеносных сосудов человеческого тела составляет 100 000 километров. Сто тысяч километров. 

Чем больше существо, тем длинней трубки. И в какой-то момент для прокачки газа нужны запредельные давления. То, что работает для мелких насекомых - уже в принципе не может работать для крупных. 

 

А что мешает сделать так, чтобы наименьшие глухие разветвления соединялись с сосудами с принудительной прокачкой воздуха? Или вообще сделать альтернативных насекомых, у которых все воздушные сосуды не глухие, а после разделения на наименьшие, вновь собираются в большой сосуд? 

Ничего. Кроме того, что это уже сознательное проектирование. Природа в нашем случае решила пойти иным путем. 

[Crusader]

А что мешает сделать так, чтобы наименьшие глухие разветвления соединялись с сосудами с принудительной прокачкой воздуха?

 А смысл?

 Простую вещь поймите - у насекомых в трахее с кислородом контактирует одна и та же ткань и через неё он уже распространяется по телу. Я не помню точно, но существует, вроде, предел насыщаемости ткани кислородом свыше которого вы хоть тресните - хоть в Гордиев узел закрутитесь, а концентрация кислорода не увеличится.

 В жабрах же и в лёгких всё хитрее - там тонкая газопроницаемая оболочка, которая и не нужна для самого газообмена. А вот под ней сердце гоняет кровь, которая из лёгких уходит с N-ным количеством кислорода и обежав всё тело возвращается с M-ным количеством углекислоты. И всё повторяется.

 Грубо говоря, представьте два завода: на одном сборка вручную, а на другом конвейр.

 Так вот у насекомых именно, что "сборка вручную", да ещё и в разных цехах.

 А у тех же ракообразных и даже моллюсков - "конвейр". Только успевай новые порции воды/воздуха подавать.

[Эрнесто де Сырно]

Общая длина кровеносных сосудов человеческого тела составляет 100 000 километров.

Так кровь ведь последовательно через все сосуды не проходит. Тут имеет значение не общая длинна всех сосудов, а расстояние от нагнетателя до самого удаленного потребителя кислорода. Сосуды у человека имеют древовидную топологию, а значит расстояния не такие уж большие, порядка размеров человеческого тела. 

 Грубо говоря, представьте два завода: на одном сборка вручную, а на другом конвейр.

Представите, что надо по одной и той же трубе перекачать 10 литров воздуха, в котором растворено 2 литра кислорода, и 10 литров крови, в которой растворено 2 литра кислорода. Что будет перекачать проще? 

концентрация кислорода не увеличится.

Тут проблема не в концентрации самой по себе, а доставке нужного количества газа в нужное место. И его можно доставлять либо в натуральном виде, или растворенным в жидкости. Причем жидкость растворяет этот газ довольно плохо. 

[Илья]

Представите, что надо по одной и той же трубе перекачать 10 литров воздуха, в котором растворено 2 литра кислорода, и 10 литров крови, в которой растворено 2 литра кислорода. Что будет перекачать проще? 

Сотням тысяч мельчайших трубочек. Причем разного диаметра. 

[Crusader]

Тут проблема не в концентрации самой по себе, а доставке нужного количества газа в нужное место. И его можно доставлять либо в натуральном виде, или растворенным в жидкости. Причем жидкость растворяет этот газ довольно плохо. 

 А на этот случай в жидкости есть тельца с связывающими кислород веществами.

 Но это уже как и было сразу сказано - иной уровень работы дыхательной системы.

Представите, что надо по одной и той же трубе перекачать 10 литров воздуха, в котором растворено 2 литра кислорода, и 10 литров крови, в которой растворено 2 литра кислорода. Что будет перекачать проще? 

Неверный пример в корне.

 Начать с того, что в воде кислорода в принципе меньше, чем в воздухе. Т. е. прокачать воды через жабры нужно больше, чем через лёгкие той же производительности.

 

 

[Labinnac]

Кстати, на днях в нете видел очередную левую супер-важную новость о линьке каких-то крупных пауков и палочников, и там было написано - при линьке что пауки, что насековые скидают всю хитиновую кутикулу, котоаря у них выстилает и кишечник, и трахеи.

Сначала был в недоумении - как можно скинуть с кожей/скелетом одновременно и кишки и легкие (утрирую). А потом забыл об этом.

А сейчас всплыло в памяти. Кто-то знаком с этой темой?

[Илья]

Тут проблема не в концентрации самой по себе, а доставке нужного количества газа в нужное место. И его можно доставлять либо в натуральном виде, или растворенным в жидкости. Причем жидкость растворяет этот газ довольно плохо. 

Самое главное что. Самое главное, что кровь кучу разных функций выполняет. Так что отказыватся от не - это не упрощать, а суперусложнять систему крупного биологического организма. Т.к. кровь все равно есть, но к ней еще и кучу трахей по всему организму нужно. 

Т.е. гипотетическое крупное насекомое размером с человека будет иметь и аналог крови и все будет в дырках от трахей. 

Т.е. будет крайне нежизнеспособным и проиграет более эффективно организованным организмам. 

 

[Crusader]

Кстати, на днях в нете видел очередную левую супер-важную новость о линьке каких-то крупных пауков и палочников, и там было написано - при линьке что пауки, что насековые скидают всю хитиновую кутикулу, котоаря у них выстилает и кишечник, и трахеи. Сначала был в недоумении - как можно скинуть с кожей/скелетом одновременно и кишки и легкие (утрирую). А потом забыл об этом. А сейчас всплыло в памяти. Кто-то знаком с этой темой?

 Не поручусь так как плохо представляю тонкости подобного процесса, но про тех же крабов я ещё очень давно слышал, что при линьке они расстаются не только с старым панцирем, но и со стенками желудка и чем-то ещё.

[Labinnac]

но и со стенками желудка

Т.е. таки отрыгивают желудок - или как? Я саму механику процесса не представляю.

[Crusader]

Т.е. таки отрыгивают желудок - или как?

 А пёс их знает..)

Я саму механику процесса не представляю.

 Та же проблема, да.

[Labinnac]

Кстати, не членистоногими одними. Есть такой тип - онихофоры, ну аномалокарисы их этих, вы их наверняка видели

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/16/Gfp-anomalocaris-predator.jpg

Инхие родственники, перипатусы (кстати единственные из типа до сих пор живые). успешно живут на суше и не очень маленькие - 20 см бывают, как крупные склопендры примерно. Ихняя кровь, емнип, имеет кислородосодержащий пигмент (не на основе железа, а на основе меди, как у осьминогов и лангустов, голубая кровь).

Так что возможны одновременно и полноценная кровь - и трахеи.

[Crusader]

Так что возможны одновременно и полноценная кровь - и трахеи.

 Возможны. Так же как и наличие у некоторых паукообразных не трахей, а лёгочных мешков.

 Но тут дело в том, что трахеи+гемоцианин в крови куда как эффективней просто трахей.

[Zenitchik]

Т.е. таки отрыгивают желудок - или как?

Подозреваю, что переваривают. Скажем, термиты - съедают свою сброшенную шкурку. То, что отслоилось от желудка - при таком раскладе вытаскивать ни к чему.