ในสัตว์แทบทุกชนิดต้องมีการใช้พลังงานจากการสลายโมเลกุลอาหาร ซึ่งในกระบวนการย่อยสลายนั้นจำเป็นต้องใช้แก๊ส O2 และได้ของเสียในรูป CO2
ดังนั้น การแลกเปลี่ยนแก๊สจึงจำเป็นเพื่อให้ร่างกายหรือเซลล์นั้นยังคงทำงานได้ตามปกติ โดยการแลกเปลี่ยนแก๊สนั้นจะแตกต่างกันไปในสัตว์แต่ละชนิด ด้วยถิ่นที่อยู่อาศัย และกลไกโครงสร้างของร่างกาย
เช่น อะมีบา พารามีเซียม ยูกรีน่า จะใช้การแลกเปลี่ยนแก๊สผ่านเยื่อหุ้มเซลล์โดยตรง
ก็ใช้การแลกเปลี่ยนแก๊สผ่านทางเยื่อหุ้มเซลล์โดยตรงเช่นกัน และจะแพร่แก๊สนั้นผ่านแต่ละชั้นเซลล์ สัตว์กลุ่มนี้จึงมีขนาดเล็ก ชั้นเซลล์มีไม่มาก เช่น ไฮดร้า ฟองน้ำ พานาเรีย เป็นต้น
ก็ยังใช้การแลกเปลี่ยนแก๊สผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ที่เปียกชื้น เช่น ไส้เดือนดิน โดยแก๊สจะแพร่จากเซลล์ผิวเข้าไปยังหลอดเลือดภายในก่อนจะลำเลียงแก๊สไปทั่วร่างกายผ่านระบบเลือด
ความซับซ้อนของการแลกเปลี่ยนแก๊สก็เพิ่มขึ้น โดยเซลล์ในร่างกายจะไม่สัมผัสกับแก๊ส O2 โดยตรงแต่จะมีอวัยวะพิเศษที่ทำหน้าที่แลกเปลี่ยนแก๊ส เช่น เหงือก ท่อลม ปอด ก่อนจะลำเลียงแก๊สต่าง ๆ เข้าสู่ระบบไหลเวียนเลือด โดยอวัยวะเหล่านี้จะมีลักษณะร่วมกันคือ ผิวบาง เปียกชื้น มีพื้นที่ผิวมาก พอกับความต้องการของร่างกาย และมีระบบเลือดมาเกี่ยวข้องด้วยในสัตว์หลายชนิด
พื้นผิวที่ใช้ในการแลกเปลี่ยนก๊าซ (Respiratory Surface) มีลักษณะสำคัญ ดังนี้
มีการพัฒนาระบบท่อลม (Trachea) ขึ้น เพื่อกระจายแก๊สจากภายนอกเข้าสู่ภายในร่างกาย ผ่านทางท่อลมที่แยกย่อยและแทรกเข้าไปในระบบเนื้อเยื่อทุกส่วนของแมลง แต่ในแมงมุมจะพัฒนาโครงสร้างพิเศษแทนที่ระบบท่อลมคือ book lung ที่มีลักษณะพับซ้อนไปมาเป็นแผงที่มีระบบเลือดมาเลี้ยง ดังภาพ
ภาพประกอบที่1
ที่มา : https://classconnection.s3.amazonaws.com/38/flashcards/1293038/png/insect_trachea1336075238052.png)
สัตว์ที่อาศัยในน้ำนั้นจะได้เปรียบกว่าสัตว์บก เนื่องจากอวัยวะแลกเปลี่ยนแก๊สนั้นชุ่มชื้นเสมอ แต่ในน้ำนั้นมี O2 ละลายน้อยกว่าบนบกมาก (O2 ละลายในน้ำได้ราว 0.5%) ทำให้ระบบการแลกเปลี่ยนแก๊สนั้นต้องพัฒนาให้น้ำไหลผ่านได้ดี
รวมถึงทิศทางการไหลของเลือดในเส้นเลือดฝอยที่ผ่านเหงือกจะสวนทางกับกระแสน้ำที่ไหลผ่าน เรียกว่า Counter current exchange เพื่อให้สามารถแลกเปลี่ยน O2 และ CO2 ได้มากที่สุด ดังภาพด้านล่าง
ภาพประกอบที่ 2
ที่มา : https://www.scimath.org/article-science/item/6657-2016-09-11-03-45-22
ระบบหายใจจะมีการเปลี่ยนแปลงเนื่องจากมีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของร่างกายในวัยอ่อนที่อาศัยในน้ำ เป็นตัวเต็มวัยที่อาศัยบนบก ในวัยอ่อนใช้เหงือกที่มีลักษณะคล้ายเหงือกปลาในการหายใจ และเหงือกจะลดรูปไปแล้วพัฒนาปอดขึ้นมาแทนเพื่อใช้หายใจบนบก
ซึ่งเกิดและเจริญเติบโตบนบก โครงสร้างในการหายใจจึงเป็นปอดเท่านั้น โดยการหายใจจะใช้กล้ามเนื้อบริเวณช่องท้องช่วยในการเพิ่มและลดความดันในปอดเพื่อให้อากาศไหลเข้าออกได้
ระบบการหายใจจะซับซ้อนที่สุด เนื่องจากมีถุงลมตามส่วนต่าง ๆ ของร่างกายเข้ามามีส่วนร่วมในระบบหายใจ โดยอากาศที่หายใจเข้าจะไปที่ถุงลมด้านหลัง และดันอากาศจากถุงลมด้านหลังปอดไปยังถุงลมด้านหน้า
การหายใจจะใช้ปอดเป็นอวัยวะแลกเปลี่ยนแก๊ส
ที่ประกอบด้วยชิ้นกระดูกอ่อนที่เรียงตัวเป็นท่อยาว ก่อนถึงปอด การหายใจเข้า อากาศจะผ่านคอหอย (Pharynx) ลงกล่องเสียง (Larynx) และ สายเสียง (Vocal cord) ลงสู่ท่อลม (Trachea) และแยกเข้าสู่ท่อลมย่อย (Bronchi) และท่อลมฝอย (Bronchiole) ก่อนเข้าสู่ถุงลมภายในปอด (Alveolus) ที่ใช้กระบังลมและกล้ามเนื้อซี่โครงช่วยในการหายใจ