Gassutveksling i vann
Vann har lavere oksygeninnhold enn luft, og diffusjonshastigheten er lavere. Det betyr at det er lettere for organismene å ta opp oksygen fra luft enn fra vann. Likevel dør de fleste fisker av oksygenmangel dersom de blir liggende på land. Hva kan dette skyldes? Før vi kommer tilbake til dette, skal vi se nærmere på hva gjeller er.
De fleste vannlevende dyr over en viss størrelse har utviklet gjeller for gassutveksling. Gjeller er spesialiserte overflater for gassutveksling som sitter på "utsiden" av dyret – i motsetning til lunger, som er spesialiserte overflater som sitter på "innsiden".
Hvorfor er utvendig plassering det mest hensiktsmessige i et vannmiljø? Det er fordi tettheten til vannet krever enveis ventilering. Det ville rett og slett vært for energikrevende å "puste" vann inn i og ut av lunger. Enveis ventilering er bare mulig dersom overflaten er på "utsiden".
Mange virvelløse dyr har ytre gjeller som er i direkte kontakt med vannet. For å skifte ut vannet lager dyrene en vannstrøm rundt gjellene, enten ved egenbevegelse eller ved rytmiske slag av små cilier som trekker vannet forbi gjellene.
Alle fisker har indre gjeller. Hos beinfisker er gjellene beskyttet av gjellelokk. Vann tas opp gjennom munnen for å skape en vannstrøm forbi gjellene. Mange beinfisker fører vannet over gjellene med en pumpemekanisme som skapes gjennom vekselvis bevegelse av kjever og gjellelokk.
En hovedutfordring for vannlevende dyr er at mengden oksygen er mye mindre i vann enn i luft. 1 liter luft inneholder 210 ml oksygen, mens 1 liter vann inneholder mindre enn 10 ml oksygen. I tillegg er diffusjonshastigheten mye lavere i vann enn i luft. Hvordan må gjellene være utformet for å løse denne utfordringen? Husk at organismer i hovedsak kan effektivisere gassutvekslingen på tre måter: redusere diffusjonsavstanden, øke overflatearealet og opprettholde en stor konsentrasjonsforskjell. I gjellene er avstanden mellom vann og blod svært kort. I tillegg har gjellelamellene en svært stor samlet overflate. Hva så med konsentrasjonsforskjellen mellom blod og vann? Gjellene gjør bruk av et viktig fysiologisk prinsipp for at konsentrasjonsforskjellen mellom blod og vann skal opprettholdes, nemlig motstrømsprinsippet.
Motstrømsprinsippet
Motstrømsprinsippet i gassutveksling går ut på at blod og vann strømmer i hver sin retning i gjellene. Blodet tar opp oksygen fra vannet ved diffusjon. Siden strømmen av blod og vann går i hver sin retning, vil blodet hele tida møte vann som har litt høyere konsentrasjon av oksygen. Derfor vil oksygen diffundere til blodet langs hele overflaten.
Før du leser videre, kan du forsøke å svare på spørsmålet i figuren under.
Hva ville skjedd dersom blod og vann strømmet i samme retning?
Konsentrasjonsforskjellen mellom blod og vann ville blitt utliknet, og diffusjonen ville dermed stoppet opp. Konsekvensen av dette er at mindre oksygen ville blitt tatt opp i blodet.
Ved hjelp av motstrømsprinsippet kan opp mot 80 % av det tilgjengelige oksygenet overføres fra vann til blod. Effekten av motstrømsprinsippet hos fisker kan illustreres ved at pattedyr bare tar opp 20–25 prosent av det oksygenet som er tilgjengelig i lufta.
Luft har høyere oksygeninnhold enn vann, og diffusjonshastigheten er høyere. På tross av dette dør de fleste fisker av oksygenmangel dersom de blir liggende på land. Hva er årsaken til dette? Vi finner forklaringen når vi ser på den tredje viktige forskjellen mellom luft og vann: tettheten. Tettheten til vann gir oppdrift som holder gjellefilamentene og de tynne lamellene oppreist og adskilt. Uten denne oppdriften faller filamentene og lamellene mot hverandre og klistrer seg sammen, slik bildet under viser. Kan du forklare hvorfor dette gjør at oksygenopptaket reduseres? (Hint: overflateareal).
