الأحياء في المرحلتين الابتدائية والإعدادية · Grades 1–9
47كيف تتنفس الحيوانات
السلمون المرقط تحت الجسر، ودودة الأرض تحت العشب، والرعّاشة فوقه، وأنت عليه، كلكم تفعلون الشيء نفسه في هذه الدقيقة: تأخذون الأكسجين من محيطكم (التعريف 46.1). لكن محيطاتكم تختلف — هواء، وتربة، وماء — ويختلف العتاد كذلك. وهذا الفصل جولة في آلات التنفس عند مملكة الحيوان.
47.1 مشكلة واحدة وأربع آلات
قضية 47.1 (المواصفة المشتركة)
كل عضو تنفس، مهما يكن صاحبه، مبني على مواصفة واحدة لقيناها من قبل في الملاحظة 26.4: سطح كبير رقيق رطب يقترب عنده دم الحيوان (أو سائل جسمه) من محيطه اقترابًا يكفي لعبور الأكسجين إلى الداخل وثاني أكسيد الكربون إلى الخارج. كبير ليكفي العبور؛ ورقيق ليسهل العبور؛ ورطب لأن الغازين يعبران مذابين. والآلات تختلف في كيفية إمساكها بذلك السطح أمام المحيط.
برهان. نقبله في هذا المستوى. ∎
تعريف 47.2 (الآلات الأربع)
تمسك الحيوانات سطوح تبادلها بأربع طرق رئيسة:
- الرئتان: جيوب ملأى بالهواء مطوية داخل الجسم، تهوّيها حركات التنفس — عند الثدييات، والطيور، والزواحف، والبرمائيات البالغة؛
- والغلاصم: سطوح ريشية ممسوكة خارج الجسم أو عند حافته، يغسلها تيار من الماء — عند الأسماك (التمرين 26.11)، والشراغيف، وكثير من يرقات الماء، وبلح البحر؛
- والقصيبات الهوائية: شبكة من أنابيب هواء دقيقة تمتد من فتحات على امتداد الجسم مباشرة إلى كل عضو — عند الحشرات؛ فالهواء يُوصَّل من باب إلى باب، بلا عون الدم في أكثره؛
- والتنفس الجلدي: الجلد الرطب كله سطحَ تبادل — عند دودة الأرض كلها؛ وعند البرمائيات مكمّلًا كبيرًا لرئتيها البسيطتين.
مثال 47.3 (مشاهدة الآلات تعمل)
لكل آلة إيقاعها. ففم السلمون المرقط وأغطية غلاصمه تضخّ بتناوب ثابت — ماء يدخل من الفم، فيمرّ على الغلاصم، فيخرج من تحت الأغطية. وبطن الجندب المستريح ينبض — إذ يضخّ أنابيب هوائه. وحلق الضفدع يرفّ — إذ يدفع الهواء إلى رئتيه (فلا قفص صدري يقوم بذلك). ولا تُظهر دودة الأرض وحدها شيئًا: فالتنفس الجلدي لا حركات له البتة، وهذا بالضبط ما جعل التعريف 46.1 تميّز التبادل من الضخّ.
47.2 الآلة تناسب الوسط — وتناسب الحياة
قضية 47.4 (لماذا كل آلة في مكانها)
تنطبق الآلات على الأوساط والحيوات (وهو عمل التعريف 28.1 على التنفس):
- فالغلاصم تناسب الماء: إذ تطفو سطوحها الريشية متباعدة فيه، مغسولة باستمرار — وتنهار بلا فائدة في الهواء (وهو سلمون التمرين 26.11 المختنق)؛
- والرئتان تناسبان الهواء: فهما مطويتان في الداخل، تبقيان رطبتين حيث كان الماء المكشوف سيُفقد — لكنهما لا تستطيعان حصاد أكسجين الماء المذاب الشحيح؛
- والقصيبات الهوائية تناسب الأجسام الصغيرة: فهي فائقة على مسافات المليمترات، وتوصّل ببطء شديد على المسافات الطويلة — وهو أحد أسباب بقاء الحشرات صغيرة؛
- والتنفس الجلدي يناسب الحيوات الصغيرة الندية الجلد في الأماكن الندية: فسطح الدودة كله بالكاد يخدم جسمها الرقيق، والهواء الجاف يقتلها — وتذكّر ديدان الأرض المستلقية بعد المطر.
برهان. نقبله في هذا المستوى. ∎
مثال 47.5 (حياتان وآلتان في حيوان واحد)
الضفدع يجري الفصل كله في حياة واحدة: غلاصم وهو شرغوف (آلة ساكن الماء، المثال 8.7)، ورئتان مع جلد رطب وهو بالغ — والرئتان بسيطتان، والجلد يؤدي كثيرًا من العمل، وخاصة عبر شتاء قاع البركة البارد (التمرين 38.11: فذلك الضفدع الخامد يتنفس بجلده وحده). فالتحول يعيد بناء آلات التنفس أيضًا.
مثال 47.6 (تنفس الهواء والعيش في الماء)
سكان الماء ذوو الرئتين عليهم أن يتنقلوا. فالدلفين والحوت يطفوان لينفخا ويستنشقا (المثال 44.5: رئتا ثديي، موروثتان عن أسلاف يابسة)؛ وحلزون البركة يتسلق إلى السطح ليعيد التعبئة؛ وخنفساء الغطس تحمل فقاعة هواء فضية تحت غطاءي جناحيها — خزّان غطّاس، يُجدَّد عند السطح. فالموئل قابل للتفاوض؛ أما وسط الآلة فلا.
طريقة 47.7 (قراءة تنفس حيوان)
إذا أُعطيت حيوانًا غير مألوف:
- فأين يعيش — وأيستطيع أن يغادر؟ (ماء، أو هواء، أو تربة؛ متنقل أم مقيم)؛
- وابحث عن علامات الآلة: أغطية غلاصم أو خصلات ريشية؛ ومنخران وصدر يتحرك؛ وصفوف من الفتحات الصغيرة على جسم حشرة؛ أو لا شيء مرئيًّا سوى جلد رطب؛
- وراقب الإيقاع: أغطية تضخّ، أو بطن ينبض، أو صدر يرتفع، أو زيارات إلى السطح؛
- وسمِّ الآلة — وراجعها في مقابل الوسط بما في القضية 47.4.
ملاحظة 47.8 (المواصفة لا تتغير أبدًا)
تحت هذا التنوع، افحص أيًّا من الآلات الأربع عن قرب فتظهر القضية 47.1 من جديد: فريش الغلصمة، وجيوب الرئة، وأدقّ أطراف القصيبات، وجلد الدودة كلها مواضع لقاء كبيرة رقيقة رطبة بين المحيط والجسم. أربع آلات ومواصفة واحدة — وحدة الحياة (القضية 29.2)، مكتوبةً في عتاد التنفس.
47.3 تمارين
تمرين 47.1 ★
اذكر المواصفة المشتركة التي يلبّيها كل عضو تنفس، ولماذا تهمّ كل خاصية من خواصها الثلاث.
حل
حل التمرين 47.1.
سطح تبادل كبير رقيق رطب يلتقي عنده الدم (أو سائل الجسم) بالمحيط. كبير: ليكفي مجموع العبور؛ ورقيق: ليسهل العبور؛ ورطب: لأن الغازين يعبران مذابين.
تمرين 47.2 ★
سمِّ الآلات الأربع، مع صاحبين لكل واحدة.
حل
حل التمرين 47.2.
الرئتان: الثدييات، والطيور (وكذلك الزواحف، والبرمائيات البالغة). والغلاصم: الأسماك، والشراغيف (وكذلك بلح البحر، ويرقات الماء). والقصيبات الهوائية: الجنادب، والنحل — والحشرات عمومًا. والتنفس الجلدي: دودة الأرض؛ والبرمائيات مكمّلًا.
تمرين 47.3 ★
صف ضخّ السلمون المرقط: مسار الماء داخلًا وعابرًا وخارجًا.
تمرين 47.4 ★
كيف توصّل الحشرات الأكسجين بلا رئتين — وبلا عون الدم في أكثره؟
حل
حل التمرين 47.4.
بالقصيبات الهوائية: شبكة من أنابيب هواء دقيقة تجري من فتحات على امتداد الجسم وتتفرع إلى كل عضو — فالهواء يُوصَّل من باب إلى باب، ولا يحتاج الدم إلى حمل كثير.
تمرين 47.5 ★
لماذا يختنق سلمون مرقط مُلقًى في هواء غني بالأكسجين؟
حل
حل التمرين 47.5.
خارج الماء تنهار سطوح غلاصمه الريشية ويلتصق بعضها ببعض: فينكمش السطح الكبير حتى يكاد ينعدم، ومن غير سطح لا عبور — أكسجين وفير، ولا آلة تأخذه.
تمرين 47.6 ★
لماذا تقتل شمس جافة دودة أرض على الرصيف؟ وأي آلة تخفق، وكيف؟
حل
حل التمرين 47.6.
التنفس الجلدي — ويخفق شرط الرطوبة: فالجلد الجاف لا يعود يمرّر الغازين، فتختنق الدودة في الهواء الطلق. والكِبر والرقّة لا ينقذان سطحًا لم يعد رطبًا.
تمرين 47.7 ★★
عدّد آلات تنفس الضفدع عبر حياته، مع موسم كل واحدة أو مرحلتها.
تمرين 47.8 ★★
الدلفين يعيش كالسمكة ويغرق كالإنسان. اشرح ذلك بالآلة والنسب (المثال 44.5).
حل
حل التمرين 47.8.
آلته الرئة — موروثة عن أسلاف يابسة تُرضع حليبًا — فعليه أن يطفو ليتنفس الهواء، مهما تكن حياته شبيهة بالسمك: فإن أُمسك تحت الماء غرق. فالثياب للماء؛ والآلة للأسرة.
تمرين 47.9 ★★
ما فقاعة خنفساء الغطس الفضية، وما الذي يجب على الخنفساء أن تفعله بها بانتظام؟
حل
حل التمرين 47.9.
مخزن هواء محمول — خزّان غطّاس تحت غطاءي الجناحين، تسحب منه قصيباتها الهوائية. وعليها أن تعود إلى السطح بانتظام لتجدّد الفقاعة.
تمرين 47.10 ★★
طبّق الطريقة 47.7 على: (أ) بلحة بحر؛ (ب) جندب؛ (ج) حية ماء تسبح عبر البركة.
حل
حل التمرين 47.10.
(أ) بلحة البحر: مقيمة في الماء، لا حركات مرئية لكن غلاصم داخل الصدفة، يغسلها تيار مضخوخ. (ب) الجندب: مقيم في الهواء؛ وصفوف من الفتحات الصغيرة، وبطن ينبض — قصيبات هوائية. (ج) حية الماء: زاحف متنقل — رئتان؛ تسبح ومنخراها إلى أعلى وتطفو لتتنفس.
تمرين 47.11 ★★
لماذا لا توجد حشرات بحجم الحوت؟ أجب بحدّ القصيبات الهوائية.
حل
حل التمرين 47.11.
القصيبات توصّل بأنابيب هواء متفرعة، فائقة على المليمترات وبطيئة جدًّا على المسافات الطويلة: فأحشاء جسم بحجم الحوت ستقع بعيدًا جدًّا عن أي فتحة. فالآلة تضع سقفًا للحجم، والحشرات تعيش تحته.
تمرين 47.12 ★★★
“أربع آلات ومواصفة واحدة.” دافع عن الجملة: سمِّ المواصفة المشتركة، وبيّن كيف تلبّي الغلصمة والرئة والقصيبات والجلد مطالبها الثلاثة.
حل
حل التمرين 47.12.
المواصفة: سطح لقاء كبير رقيق رطب بين الجسم والمحيط. فالغلاصم تلبّيها بسطوح ريشية يفرشها الماء؛ والرئتان بملايين الجيوب المطوية في مأوى رطب؛ والقصيبات بمجموع السطح الداخلي لأدقّ أطرافها، وهي رطبة عند نهاياتها؛ والجلد بظاهر الجسم الرطب كله، مبقًى كبيرًا بالقياس إلى جسم صغير رقيق. أربعة ممسكات وشيء ممسوك واحد.
47.4 مسألة: إحصاء المتنفسين في البركة
مسألة 47.1
مسألة نهاية الأسبوع — بركة واحدة، وكل آلة تعمل
أصيل في البركة بشبكة وصندوق رؤية ودفتر. والإحصاء: صغار السلمون المرقط وأسماك شوكية؛ وشراغيف (بعضها بأرجل خلفية)؛ وضفادع بالغة؛ وحلزونات بركة تجوب غشاء السطح؛ وخنفساء غطس تلمع فضةً؛ ويرقات ذباب مايو بخصلات ريشية تحت الحجارة؛ وفي عشب الضفة الندي ديدان أرض.
القسم الأول — تسمية الآلات.
- أعطِ كل فرد من أفراد الإحصاء آلة تنفسه.
- خصلات يرقة ذباب مايو الريشية تتماوج باستمرار حتى في الماء الساكن. فما هي، وعلامَ التماوج؟
- وأي أفراد الإحصاء عليهم أن يزوروا السطح، ولماذا هؤلاء بالضبط؟
- الشراغيف بلا أرجل وذوات الأرجل قد تختلف في داخلها بقدر اختلافها في ظاهرها. فأي إعادة بناء جارية، وفق المثال 47.5؟
القسم الثاني — الآلات تحت الضغط.
- أسبوع حارّ بلا ريح يخفض أكسجين البركة المذاب (وسيشرح الفصل 48 السبب). رتّب الإحصاء: من يعاني أولًا — أصحاب الغلاصم أم المتنقلون إلى السطح؟ ولماذا؟
- في ذلك الأسبوع تتعلق الأسماك الشوكية تحت السطح مباشرة، وأفواهها تعمل عند الغشاء. فسّر السلوك بالمواصفة: ما الخاصّ في المليمتر الأعلى من الماء؟
- خائض مهمل يثير سحبًا من الطين الناعم. فأي آلة تنسدّ، وماذا تتوقع أن تفعل الحيوانات المتضررة؟
- وبعد ليلة مطر تستلقي ديدان أرض العشب على الممر. اشرح المشهد الكلاسيكي: أي آلة، وأي شرط، دفعها إلى أعلى؟
القسم الثالث — الخريطة الأكبر.
- حرّر الإحصاء جدولًا: الحيوان، والآلة، والوسط، ومتنقل أم مقيم. وأي مواصفة واحدة تتصدّر كل عمود آلة، وفق الملاحظة 47.8؟
- تتجمد البركة في كانون الثاني فيُختم سطحها. تنبأ بمصائر الشتاء: الضفادع (التمرين 38.11)، والحلزونات، والخنفساء، والأسماك — من المتضايق ومن المكفيّ؟
- يصل وافد جديد: عنكبوت ماء ينسج جرسًا حريريًّا ويملؤه بهواء السطح. ضع حيلته بجانب حيلة الخنفساء، وسمِّ الآلة التي يواصل خدمتها.
- اختم: لماذا تحتاج بركة صغيرة واحدة إلى أربع آلات تنفس مختلفة لتُسكن سكنًا كاملًا؟ في جملة واحدة، مستعملًا كلمتَي الوسط والأكسجين.
حل
حل المسألة 47.1.
1. صغار السلمون المرقط والأسماك الشوكية: غلاصم. والشراغيف: غلاصم (وذوات الأرجل في وسط إعادة البناء). والضفادع البالغة: رئتان مع جلد. وحلزونات البركة: رئتان — متنقلة إلى السطح. وخنفساء الغطس: قصيبات هوائية، تُغذّى من فقاعتها المحمولة. ويرقات ذباب مايو: غلاصم (الخصلات الريشية). وديدان الأرض: جلد.
2. غلاصم. والتماوج يجدّد الماء عند سطح الغلصمة — تيارًا تصنعه بنفسها حيث لا توفّره البركة الساكنة، فيُبقي ماءً طازجًا حاملًا للأكسجين عند موضع العبور.
3. حلزونات البركة، وخنفساء الغطس، والضفادع البالغة (وأي حية ماء زائرة): وهم كل أصحاب الرئتين والفقاعة — فآلاتهم تأخذ الأكسجين من الهواء، والسطح محطة تعبئتهم.
4. إعادة بناء التنفس في التحول: فالغلاصم التي تخدم الشرغوف بلا أرجل تُبدَّل بالرئتين (والجلد المتنفس) اللتين سيحتاج إليهما الضفيدع الساحلي.
5. أصحاب الغلاصم يعانون أولًا: فمورّدهم كله هو مخزون الماء المذاب المتضائل. أما المتنقلون — الحلزون والخنفساء والضفدع — فيسحبون من الهواء غير المحدود فوقهم ولا يفعلون إلا أن يتنقلوا أكثر.
6. المليمتر الأعلى يلامس الهواء: فيذوب الأكسجين فيه من فوق، وتكون طبقة الغشاء أقل ماء البركة المختنقة فقرًا. والأسماك الشوكية تصطفّ عند آخر بئر.
7. الغلاصم تنسدّ: فالطين الناعم يستقر على السطوح الريشية ويسدّ العبور. وتوقّع أن يفرّ متنفسو الغلاصم من السحابة، وأن يشقّ ضخّ الأغطية — بنوبات سعال لإزالة الغرين.
8. التنفس الجلدي، والشرط الرطب لكن بلا هواء: فالجحور المشبعة بالماء تحمل أكسجينًا قليلًا جدًّا، فتصعد الديدان إلى السطح لتتنفس — مقايضةً الاختناق تحت بخطر الجفاف فوق.
9. الجدول كما طُلب (الآلة والوسط لكل حيوان؛ والمتنقلون: الحلزون، والخنفساء، والضفدع). ويتصدّر كل عمود: سطح التبادل الكبير الرقيق الرطب — المواصفة الواحدة التي تمسك بها الآلات الأربع.
10. الضفادع: مكفيّة — خامدة في الطين، تتنفس بجلدها حاجتها الشتوية الصغيرة. والحلزونات والخنفساء: متضايقة — فسطحها مختوم؛ وهي تشتّي خامدة بحاجات منخفضة أو بفقاعات محبوسة. والأسماك: مكفيّة ما دام مخزون الماء باقيًا — فالبرد يبطّئ كل صوت محرّك (المثال 46.7)، والغلاصم تخدم الطلب المنخفض تحت الجليد.
11. جرس العنكبوت الحريري خزّان هواء ثابت حيث فقاعة الخنفساء خزّان محمول: فكلاهما يخزن هواء السطح تحت الماء، وكلاهما يواصل خدمة آلة هوائية (وهي عتاد العنكبوت من الرئتين الكتابيتين والقصيبات) في الوسط الخطأ.
12. لأن البركة تعرض الأكسجين في وسطين — شحيحًا مذابًا في الأسفل، وغنيًّا في الأعلى — وكل آلة تحصد وسطًا واحدًا عند حجم حياة واحد: فلا يُسكن كل ركن، من الطين إلى غشاء السطح، إلا بعمل الأربع جميعًا.