Energię niezbędną do pełnienia wszystkich funkcji życiowych zwierzęta uzyskują dzięki oddychaniu komórkowemu (wewnętrznemu). Na proces ten składaja się reakcje chemiczne, których efektem jest utlenianie związków organicznych pobranych z pokarmu do wody i dwutlenku wegla, oraz wytworzenie energii. U większości zwierząt oddychanie w warunkach beztlenowych, wymaga jednak sprawnej wymiany gazowej (oddychania zewnętrznego). Podczas tego procesu pobierany jest tlen, a usuwany dwutlenek węgla. Wymiana gazowa u zwierząt zachodzi całą powierzchnią ciała lub poprzez odpowiednie narządy:
Wymiana gazowa zapewnia dostaczenie tlenu do każdej komórki ciała. Jest to możliwe dzięki temu,, że tlen przenika przez błonę komórkową na zasadzie dyfuzji, która zachodzi zgodnie z różnicą ciśnienia cząstkowego (parcjalnego) gazów po obu stronach błony komórkowej. Ciśnienie cząsteczkowe jest to ciśnienie jednego z gazów tworzących mieszaninię, proporcjonalnie do jego zawartości w mieszaninie. Np. tlen stanowi ok 21% objętości powietrza, więc jego ciśnienie cząstkowe na poziomie morza wynosi około 213 hPa. Różnica ciśnienia jest utrzymywana dzięki wentylacji, czyli przepływowi gazów oddechowch między środowiskiem zewnętrznym a środkowiskiem wewnętrznym organizmu.
Szybkość dyfuzji zwiększa się wraz ze wzrostem powierzchni wymiany gazowej oraz różnicy ciśnienia cząsteczkowego gazów. Ponadto dyfuzja zachodzi tym szybciej im krótszą drogę maja do pokonania cząsteczki gazu. Najkorzystniej jest zatem aby powierzchnia wymiany gazowej i różnica ciśnień gazów po obu stronach błony były jak największe, natomiast sama błona była jak najcieńsza. Ponadto powierzchnie wymiany gazowej muszą być wilgotne, gdyż tlen przedostając się przez błony wyłącznie w wśordowisku bardzo wilgotnym lub wodnym.
Środowiska wodne i lądowe bardzo różnią się pod względem mozliwości wyniany gazowej. Zawartość tlenu w wodzie jest niewielka i zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury, zasolenia i głębokości. Poza tym zależy id warunków poanujących w okreslonym miejscu, np. występowanian roślin (dostarczają tlen w ciągu dnia, a pobieraja go przez całą dobę) i ilości rozkładającej się materii organicznej na dnie (w procesie rozkładu zużywana jest duża ilość tlenu). Powoduje to, że zawartość tlenu w wodzie ulega znacznym wahaniom, a duża gęstość wody sprawia, że dyfuzja zachodzi w niej powoli.
Środowisko lądowe zapewnia korzystniejsze warunki dyfuzji. Zawartość tlenu w powietrzu nie zmienia się, a dyfuzja gazów zachodzi ok. 10 tys razy szybciej niż w wodzie. Największą przeszkodę stanowi możliwość wyschnięcia powierzchni wymiany gazowek
| Czynniki | Woda | Powietrze |
|---|---|---|
| Ilość tlenu | 0,5-1% | 20,9% |
| Wahania zawartości tlenu | duże, zależą od zasolenia, temperatury, roślinności | nie występują |
| Zmiana temperatury | niewielkie roczne | duże w ciągu doby i w ciągu roku |
| Szybkość dyfuzji gazów | mała | duża |
| Kontakt powierzchni wymiany gazowej ze środowiskiem | bezpośredni | poprzez drogi oddechowe |
U więksozści zwierzęt wymiana gazowa przebiega dwuetapowo. Pierwszym etapem jest wymiana gazowa zewnętrzna, która polega na pobraniu ze środowiska zewnętrznego tlenu, a oddaniu dwutlenku węgla. Drugim etapem jest wymiana gazowa wewnętrzna odbywająca sie pomiędzy płynami ustrojowymi, a komórkami.
| Ośrodek | Ciśnienie parcialne tlenu [w mmHg] | Ciśnienie parcjalne dwutlenku węgla [w mmHg] |
|---|---|---|
| Powietrze | 160 | 0,3 |
| Pęcherzyk płucny | 100 | 40 |
| Krew natlenowana | 96 | 40 |
| Krew odtlenowana | 40 | 46 |
| Komórka | 30 | 46 |
Najprostrzym sposobem wymiany gazowej jest prowadzenie jej całą powierzchnią ciała. Dotyczy to głównie zwierząt, u których tempo przemiany materii, a więc i zapotrzebowanie na tlen, jest niewielkie, a także organizmów małych, które mają korzystny stosunek powierzchni do objętości. Narządy wymiany gazowej nie są również konieczne w wypadku gdy odległość między powirzchnią ciała a komórkami w jego wnęrzu jest mała. Tak jest w wypadku płaskiego i wydłużonego kształtu ciała (np. u wirków). Wśród bezkregowców wymianę gazową całą powierzchnią ciała prowadzą parzydelkowce, wolno żyjące płaxińce i nicienie, a także skąposzczety i pijawki. U kręgowców ten sposób wymiany gazowej występuje wyjątkowo. Najwieksze znaczenie ma u płazińców, które nie maja potrzebują dużej ilości tlenu, gdyż mają niskie zapotrzebowanie na energię.
U większości zwierząt wodnych narządami wymiany gazowej są skrzela - wyrostki ściany ciała o dużej powierzchni i bardzo cienkim nabłonku, pod którym znajduje się gęsta sieć naczyń włosowatych. Mogą mieć postać blaszek, grzebyków lub wydłużonych palczastych wypustek niekiedy zebranych w pęczki. Skrzela zewnętrzne wystają poza obręb ciała. Nie są niczym osłonięte, co ułatwia kontakt z wodą, a tym samym wymianę gazwoą. Skrzela wewnętrzne znajdują się w ciele zwierzęcia, są więc częściowo lub całkowicie osłonięte. Dzieki temu są chronione przez urazami, a ciało zachowuje opływowy kształt. Doprowadzenie do nich wody następuje przez otwór gębowy lub jak u małży syfon wpustowy.
Wśród zwierząt wodnych występują też inne narzady wymiany gazowej. U osłonic, bezczaszkowców wymiana gazowa zachodzi dzięki tzw. koszowi skrzelowemu, a u żyjących w wodzie larw owadów dzięki szkrzelotchawkom.
W warunkach lądowych narządy wymiany gazowej takie jak skrzela są nieprzydatne. Siła ciążenia powoduje bowiem opadanie blaszek skrzelowych, które nie maja elementów usztywniających. Ponadto blaszki skrzelowe sklejają się w kontakcie z powietrzem, co drastycznie zmniejsza powirzchnię wymiany gazowej. Dlatego ryba wyjęta z wody dusi się.
U wielu lądowych bezkręgowców narządami oddechowymi sa tchawki. Występują one u owadów, wijów i niektórych pajęczakó. Powietrze fo tchawek dociera przez przetchlinki (otwory w powłoce ciała). Ich odcinki końcowe tzw. trachole są wypełnione płynem, dzięki czemu tlen może dyfundować do każdej komórki ciała. Sysyem tchawkowy doprowadzający tlen bezpośrednio do kżej komórki ciała owada jest bardzo wydajny, co jest szczególnie ważne podczas lotu, gdy metabolizm owadów jest intensywny.
Niektóre pajęczaki mają płucotchawki, nazywane też workami płucnymi lub płucami książkowymi. U wielu pająków występuja one równocześnie z tchawkami.
U ślimaków lądowych narządami oddechowycmi sa płuca. Prowadzi do nich pojedynczy otwór, przez który dociera powietrze, Płuca ślimaków lądowych nie posiadaja mechanizmów wspomagających wentylację. Wymiana powietrza obdywa się wyłącznie dzięky dyfuzji, dlatego nazywa je się płucami dyfuzyjnymi
U kęgowców narządem wymiany gazowej są płuca wentylowane. Rozwinęły się one z uchyłków przewodu pkarmowego ryb, a ich ewolucja polegała na zwiększeniu powierzchni wymiany gazowej poprzez rozbudwę wnętrza płuc. Wymiana gazowa u kręgowców, podobnie jak uinnych zwierząt zachodzi na drodze dyfuzki. Zapotrzebowanie na tlen jest jednak tak duże że pojawiły się różne mechanizmy służące wentylacji płuc. U płazów umożliwiają ją ruchu dna jamy gębowej. Począwszy od gadów, mechanizm wentylowania płuc polega na ruchach klatki piersiowej. Zwiększenie jej objętości podczas wdechu powoduje obniżenie ciśnienia powitrza. Aby mogło nastąpić wyrównanie ciśnień powietrze jej zasysane do płuc. Z kolei zmniejszenie objętości klatki piersioerj powoduje że powietrze wypychane jest z płuc i nastepuje wydech. U ssaków ruchy oddechowe wspomaga przepona
Wyjątkiem wśród kręgowców sa ptaki, u których w wyniku ruchów oddechowych dochodzi do zmiany objętości worków powietrznych, a nie do zmnainy objętości płuc.