34.1 Meltingarkerfi

34.1 Meltingarkerfi

Dýr fá næringu sína með því að neyta annarra lífvera. Eftir mataræði þeirra má flokka dýr í eftirfarandi flokka: jurtaætur, kjötætur og alætur, sem borða bæði plöntur og dýr. Næringarefnin og stórsameindirnar í fæðunni eru ekki strax aðgengileg frumunum. Til eru ýmis ferli sem umbreyta fæðu inni í líkama dýra til að gera næringarefni og lífrænar sameindir aðgengilegar fyrir starfsemi frumna. Eftir því sem dýr þróuðust og urðu flóknari að gerð og starfsemi, hafa meltingarkerfi þeirra einnig þróast til að mæta mismunandi næringarþörfum þeirra.

Jurtaætur, alætur og kjötætur

Jurtaætur eru dýr sem hafa plöntur sem helstu fæðulind. Dæmi um jurtaætur, eins og sýnt er á mynd 34.2, eru hryggdýr eins og dádýr, kóalar og sumar fuglategundir, auk hryggleysingja eins og engisprettur og fiðrildalirfur. Þessi dýr hafa þróað með sér meltingarkerfi sem geta unnið úr miklu magni af plöntuefni. Jurtaætur má flokka frekar í ávaxtaætur, fræætur, blómasafaætur og laufætur.

Kjötætur eru dýr sem borða önnur dýr. Orðið kjötæta er dregið af latínu og þýðir bókstaflega „kjötæta“. Villikettir eins og ljón, sýnd á mynd 34.3 a, og tígrisdýr eru dæmi um kjötætur meðal hryggdýra, sem og snákar og hákarlar, en meðal hryggleysingja sem eru kjötætur má nefna krossfiska, köngulær og maríuhænur, sýndar á mynd 34.3 b. Algerar kjötætur eru þær sem treysta alfarið á dýrakjöt til að fá næringarefni sín; dæmi um slíkar kjötætur eru dýr af kattaætt, eins og ljón og blettatígrar. Valfrjálsar kjötætur eru þær sem borða einnig fæðu úr jurtaríkinu til viðbótar við dýrafæðu. Athugið að það eru engin skýr mörk sem aðgreina valfrjálsar kjötætur frá alætum; hundar teldust til valfrjáls kjötæta.

Alætur eru dýr sem borða bæði fæðu úr jurta- og dýraríkinu. Á latínu merkir alæta að borða allt. Menn, birnir (sýndir á mynd 34.4 a) og hænur eru dæmi um alætur meðal hryggdýra; meðal hryggleysingja sem eru alætur má nefna kakkalakka og ferskvatnskrabba (sýndir á mynd 34.4 b).

Meltingarkerfi hryggleysingja

Dýr hafa þróað með sér mismunandi gerðir meltingarkerfa til að hjálpa til við meltingu á þeirri ólíku fæðu sem þau neyta. Einfaldasta dæmið er maga- og æðahol sem finnst í lífverum með aðeins eitt op fyrir meltingu. Flatormar (Platyhelminthes), kambhveljur (Ctenophora) og holdýr (Cnidaria, svo sem kórallar, hveljur og sæfíflar) nota þessa tegund meltingar. Maga- og æðahol, eins og sýnt er á mynd 34.5 a, eru venjulega botnblind pípa eða holrými með aðeins einu opi, „munninum“, sem þjónar einnig sem „endaþarmur“. Fæða sem er innbyrt fer inn um munninn og í gegnum holt, pípulaga rými. Frumur innan holsins seyta meltingarensímum sem brjóta niður fæðuna. Fæðuagnirnar eru síðan innlimaðar af frumunum sem klæða maga- og æðaholið.

Meltingarvegur, sýndur á mynd 34.5 b, er þróaðara kerfi: hann samanstendur af einni pípu með munni á öðrum endanum og endaþarmi á hinum. Ánamaðkar eru dæmi um dýr með meltingarveg. Þegar fæðan hefur verið innbyrt í gegnum munninn fer hún niður vélindað og er geymd í líffæri sem kallast sarpur; síðan fer hún í fóarnið þar sem hún er mulin og melt. Frá fóarninu fer fæðan í gegnum þarminn, næringarefnin eru frásoguð og úrgangurinn er losaður sem saur í gegnum endaþarminn.

Meltingarkerfi hryggdýra

Hryggdýr hafa þróað með sér flóknari meltingarkerfi til að laga sig að næringarþörfum sínum. Sum dýr hafa einn maga, en önnur hafa maga með mörgum hólfum. Fuglar hafa þróað meltingarkerfi sem er aðlagað að því að borða ótyggða fæðu.

Einsmaga: Magi með einu hólfi

Eins og orðið einsmaga gefur til kynna, samanstendur þessi tegund meltingarkerfis af einu magahólfi. Menn og mörg dýr hafa einsmaga meltingarkerfi eins og sýnt er á mynd 34.6 a og b. Meltingarferlið hefst í munninum við inntöku fæðu. Tennurnar gegna mikilvægu hlutverki við að tyggja eða brjóta fæðuna niður í smærri agnir á vélrænan hátt. Ensímin í munnvatninu byrja einnig að brjóta fæðuna niður efnafræðilega. Vélindað er löng pípa sem tengir munninn við magann. Með iðrahreyfingum, eða bylgjulaga samdrætti sléttra vöðva, ýta vöðvar vélindans fæðunni í átt að maganum. Til að flýta fyrir virkni ensíma í maganum er maginn mjög súrt umhverfi, með sýrustig (pH) á milli 1,5 og 2,5. Magasafinn, sem inniheldur ensím í maganum, verkar á fæðuagnirnar og heldur meltingarferlinu áfram. Frekara niðurbrot fæðu á sér stað í smáþörmunum þar sem ensím framleidd af lifur, smáþörmum og brisi halda meltingarferlinu áfram. Næringarefnin frásogast út í blóðrásina í gegnum þekjufrumurnar sem klæða veggi smáþarmanna. Úrgangsefnin berast áfram í ristilinn þar sem vatn er frásogað og þurrari úrgangsefnin eru þjöppuð saman í saur; hann er geymdur þar til honum er skilað út um endaþarminn.

Fuglar

Fuglar standa frammi fyrir sérstökum áskorunum þegar kemur að því að fá næringu úr fæðu. Þeir hafa ekki tennur og því verður meltingarkerfi þeirra, sýnt á mynd 34.7, að geta unnið úr ótyggðri fæðu. Fuglar hafa þróað með sér fjölbreyttar gerðir gogga sem endurspegla mikla fjölbreytni í mataræði þeirra, allt frá fræjum og skordýrum til ávaxta og hneta. Þar sem flestir fuglar fljúga eru efnaskipti þeirra hröð til að vinna úr fæðu á skilvirkan hátt og halda líkamsþyngd lágri. Magi fugla hefur tvö hólf: kirtilmaga, þar sem magasafi er framleiddur til að melta fæðuna áður en hún fer í magann, og fóarn, þar sem fæðan er geymd, bleytt og mulin vélrænt. Ómelta efnið myndar fæðuköggla sem stundum er ælt upp. Mest af efnafræðilegri meltingu og frásogi á sér stað í þörmunum og úrgangurinn er losaður í gegnum gotraufina.

Jórturdýr

Jórturdýr eru aðallega jurtaætur eins og kýr, kindur og geitur, en fæða þeirra samanstendur alfarið af miklu magni af gróffóðri eða trefjum. Þau hafa þróað meltingarkerfi sem hjálpar þeim að melta mikið magn af beðmi (sellulósa). Áhugaverður eiginleiki í munni jórturdýra er að þau hafa ekki framtennur í efri góm. Þau nota neðri tennur, tungu og varir til að rífa og tyggja fæðuna. Frá munninum fer fæðan í vélindað og áfram í magann.

Til að hjálpa til við að melta hið mikla magn plöntuefna er magi jórturdýra fjölhólfa líffæri, eins og sýnt er á mynd 34.8. Hólfin fjögur í maganum kallast vömb, keppur, laki og vinstur. Þessi hólf innihalda margar örverur sem brjóta niður beðmi og gerja innbyrta fæðu. Vinsturin er „eiginlegi“ maginn og jafngildir maga einsmaga dýra þar sem magasafa er seytt. Fjögurra hólfa maginn veitir meira rými og þann örverustuðning sem nauðsynlegur er til að melta plöntuefni í jórturdýrum. Gerjunarferlið framleiðir mikið magn af gasi í magahólfinu, sem verður að losa út. Eins og í öðrum dýrum gegnir smáþarmarnir mikilvægu hlutverki við upptöku næringarefna og digurgirnið hjálpar til við losun úrgangs.

Gervijórturdýr

Sum dýr, eins og úlfaldar og alpakka, eru gervijórturdýr. Þau borða mikið af plöntuefnum og gróffóðri. Það er ekki auðvelt að melta plöntuefni vegna þess að frumuveggir plantna innihalda fjölliða sykrusameindina beðmi. Meltingarensím þessara dýra geta ekki brotið niður beðmi, en örverur í meltingarkerfinu geta það. Þess vegna verður meltingarkerfið að geta ráðið við mikið magn af gróffóðri og brotið niður beðmið. Gervijórturdýr hafa þriggja hólfa maga í meltingarkerfinu. Hins vegar er botnlangi þeirra — pokalaga líffæri í upphafi digurgirnis sem inniheldur margar örverur sem eru nauðsynlegar fyrir meltingu plöntuefna — stór og er sá staður þar sem gróffóðrið er gerjað og melt. Þessi dýr hafa ekki vömb en hafa laka, vinstur og kepp.

Hlutar meltingarkerfisins

Meltingarkerfi hryggdýra er hannað til að auðvelda umbreytingu fæðu í þau næringarefni sem viðhalda lífverum.

Munnhol

Munnholið, eða munnurinn, er inngangsstaður fæðu í meltingarkerfið, eins og sýnt er á mynd 34.9. Fæðan sem neytt er er brotin niður í smærri agnir með tyggingu, sem er mölunarvirkni tannanna. Öll spendýr hafa tennur og geta tuggið fæðu sína.

Hið umfangsmikla efnafræðilega ferli meltingar hefst í munninum. Þegar fæðan er tuggð blandast munnvatn, sem framleitt er af munnvatnskirtlum, við fæðuna. Munnvatn er vatnskenndur vökvi sem framleiddur er í munni margra dýra. Þrír helstu kirtlarnir sem seyta munnvatni eru vangakirtill, kjálkabarðskirtill og tungurótarkirtill. Munnvatn inniheldur slím sem bleytir fæðuna og jafnar sýrustig (pH) hennar. Munnvatn inniheldur einnig mótefni og lýsósím, sem hafa bakteríudrepandi virkni til að draga úr tannskemmdum með því að hindra vöxt sumra baktería. Munnvatn inniheldur einnig ensím sem kallast munnvatnsamýlasi sem hefur það hlutverk að hefja umbreytingu sterkju í fæðunni í tvísykru sem kallast maltósi. Annað ensím sem kallast lípasi er framleitt af frumum í tungunni. Lípasar eru flokkur ensíma sem geta brotið niður þríglýseríð. Tungulípasi hefur niðurbrot fituefna í fæðunni. Tyggingin og bleytingin sem tennurnar og munnvatnið sjá um undirbúa fæðuna í massa sem kallast fæðubolti til að kyngja. Tungan hjálpar til við að kyngja — hún færir fæðuboltann frá munninum niður í kokið. Kokið opnast í tvær rásir: barkann, sem liggur til lungnanna, og vélindað, sem liggur til magans. Barkinn hefur op sem kallast raddglufa (glottis), sem er hulið brjóskflipa sem kallast barkaspeldi (epiglottis). Við kyngingu lokar barkaspeldið raddglufunni og fæðan fer í vélindað en ekki barkann. Þetta fyrirkomulag kemur í veg fyrir að fæða fari í barkann.

Vélinda

Vélindað er pípulaga líffæri sem tengir munninn við magann. Tuggða og mjúka fæðan fer í gegnum vélindað eftir að henni er kyngt. Sléttir vöðvar vélindans ganga í gegnum röð bylgjulaga hreyfinga sem kallast iðrahreyfingar sem ýta fæðunni í átt að maganum, eins og sýnt er á mynd 34.10. Iðrahreyfingabylgjan er einstefnu — hún færir fæðu frá munni til maga og hreyfing til baka er ekki möguleg. Iðrahreyfing vélindans er ósjálfrátt viðbragð; hún á sér stað sem viðbragð við því að kyngja.

Hringlaga vöðvi sem kallast hringvöðvi myndar lokur í meltingarkerfinu. Vélinda- og magahringvöðvinn er staðsettur á magaenda vélindans. Sem viðbragð við kyngingu og þrýstingi frá fæðutuggunni opnast þessi hringvöðvi og fæðuboltinn fer í magann. Þegar engin kynging á sér stað er þessum hringvöðva lokað og hann kemur í veg fyrir að innihald magans fari upp vélindað. Mörg dýr hafa sannan hringvöðva; hjá mönnum er hins vegar enginn sannur hringvöðvi, en vélindað helst lokað þegar engin kynging á sér stað. Bakflæði eða „brjóstsviði“ á sér stað þegar súrir meltingarsafar sleppa upp í vélindað.

Magi

Stór hluti meltingar fer fram í maganum, sem sýndur er á mynd 34.11. Maginn er pokalaga líffæri sem seytir magasafa. Sýrustig (pH) í maganum er á milli 1,5 og 2,5. Þetta mjög súra umhverfi er nauðsynlegt fyrir efnafræðilegt niðurbrot fæðu og upptöku næringarefna. Þegar maginn er tómur er hann fremur lítið líffæri; hins vegar getur hann þanist út og orðið allt að 20 sinnum stærri en í hvíld þegar hann fyllist af mat. Þessi eiginleiki er sérstaklega gagnlegur fyrir dýr sem þurfa að éta þegar fæða er tiltæk.

Maginn er einnig helsti staður prótínmeltingar hjá öðrum dýrum en jórturdýrum. Prótínmeltingu er miðlað af ensími sem kallast pepsín í magaholinu. Pepsíni er seytt af aðalfrumum í maganum á óvirku formi sem kallast pepsínógen. Pepsín klýfur peptíðtengi og brýtur prótín niður í smærri fjölpeptíð; það hjálpar einnig til við að virkja meira pepsínógen, sem kemur af stað jákvæðri afturvirkni sem framleiðir meira pepsín. Önnur frumugerð — veggfrumur — seytir vetnis- og klóríðjónum, sem sameinast í holrýminu og mynda saltsýru, sem er helsti súri hluti magasafans. Saltsýra hjálpar til við að breyta óvirka pepsínógeninu í pepsín. Hið mjög súra umhverfi drepur einnig margar örverur í fæðunni og, ásamt virkni ensímsins pepsíns, leiðir til vatnsrofs prótína í fæðunni. Efnafræðileg melting er auðvelduð með hnoðun magans. Samdráttur og slökun sléttra vöðva blandar magainnihaldinu á um það bil 20 mínútna fresti. Blandan af að hluta til meltri fæðu og magasafa kallast iðramauk. Iðramauk fer úr maganum í smáþarmana. Frekari prótínmelting á sér stað í smáþörmunum. Magatæming á sér stað innan tveggja til sex klukkustunda eftir máltíð. Aðeins litlu magni af iðramauki er hleypt í smáþarmana í einu. Flutningur iðramauks úr maganum í smáþarmana er stjórnað af magaportsvöðvanum.

Við meltingu prótína og sumrar fitu verður að vernda magaslímhúðina svo hún meltist ekki af pepsíni. Hafa þarf tvennt í huga þegar lýst er hvernig magaslímhúðin er vernduð. Í fyrsta lagi, eins og áður hefur komið fram, er ensímið pepsín myndað á óvirku formi. Þetta verndar aðalfrumurnar, þar sem pepsínógen hefur ekki sömu ensímvirkni og pepsín. Í öðru lagi hefur maginn þykka slímhúð sem verndar undirliggjandi vef fyrir áhrifum meltingarsafans. Þegar rof kemur á þessa slímhúð geta magasár myndast. Magasár eru opin sár í eða á líffæri af völdum baktería (Helicobacter pylori) þegar slímhúðin rofnar og nær ekki að endurnýja sig.

Smáþarmar

Iðramauk færist úr maganum í smáþarmana. Smáþarmarnir eru það líffæri þar sem meltingu prótína, fitu og kolvetna lýkur. Smáþarmarnir eru langt rörlaga líffæri með mjög fellingaríku yfirborði sem inniheldur fingurlaga totur sem kallast þarmatotur. Á apical-yfirborði hverrar totu eru margar smásæjar totur sem kallast örtotur. Þessi bygging, sem sýnd er á mynd 34.12, er þakin þekjufrumum holrýmismegin og gerir kleift að soga næringarefni úr meltu fæðunni og taka þau upp í blóðrásina hinum megin. Þarmatoturnar og örtoturnar, með sínum mörgu fellingum, auka yfirborðsflatarmál þarmanna og auka skilvirkni við upptöku næringarefna. Frásoguð næringarefni í blóðinu berast í lifrarportæðina, sem liggur til lifrarinnar. Þar stjórnar lifrin dreifingu næringarefna til annarra hluta líkamans og fjarlægir eiturefni, þar á meðal lyf, áfengi og suma sýkla.

Smáþarmar mannsins eru yfir 6 m langir og skiptast í þrjá hluta: skeifugörn, ásgörn og dausgörn. Fastur, C-laga hluti smáþarmanna kallast skeifugörn og er sýndur á mynd 34.11. Skeifugörnin er aðskilin frá maganum með magaportvöðvanum, sem opnast til að hleypa iðramauki úr maganum í skeifugörnina. Í skeifugörninni blandast iðramaukið brissafa í basískri lausn sem er rík af bíkarbónati, hlutleysir sýru iðramauksins og verkar sem stuðpúði. Brissafi inniheldur einnig nokkur meltingarensím. Meltingarsafar frá brisi, lifur og gallblöðru, auk seytis frá kirtilfrumum í þarmaveggnum sjálfum, berast í skeifugörnina. Gall er myndað í lifur og geymt og þétt í gallblöðrunni. Gall inniheldur gallsölt sem fleyta lípíð, en brisið framleiðir ensím sem brjóta niður sterkju, tvísykrur, prótín og fitu. Þessir meltingarsafar brjóta fæðuagnirnar í iðramaukinu niður í glúkósa, þríglýseríð og amínósýrur. Meginhluti efnafræðilegrar meltingar fæðunnar fer fram í skeifugörninni. Frásog fitusýra fer einnig fram í skeifugörninni.

Annar hluti smáþarmanna kallast ásgörn, sýnd á mynd 34.11. Hér heldur vatnsrof næringarefna áfram á meðan flest kolvetni og amínósýrur eru tekin upp í gegnum þarmaslímhúðina. Nokkur efnafræðileg melting og stærsti hluti upptöku næringarefna á sér stað í ásgörninni.

Dausgörnin, sem einnig er sýnd á mynd 34.11, er síðasti hluti smáþarmanna og hér eru gallsölt og vítamín tekin upp í blóðrásina. Ómelt fæða er send í ristilinn frá dausgörninni með iðrahreyfingum vöðvanna. Dausgörnin endar og digurgirnið hefst við dausgarnarloku. Ormlaga botnlanginn er staðsettur við dausgarnarlokuna. Botnlangi manna seytir engum ensímum og hefur óverulegu hlutverki að gegna í ónæmiskerfinu.

Digurgirni

Digurgirnið, sem sýnt er á mynd 34.13, endursogar vatn úr ómeltri fæðu og vinnur úr úrgangsefnum. Digurgirni manna er mun styttra en smáþarmarnir en hefur meira þvermál. Það skiptist í þrjá hluta: botnristil, ristil og endaþarm. Botnristillinn tengir dausgörnina við ristilinn og er móttökupoki fyrir úrgangsefnin. Ristillinn hýsir margar bakteríur eða „þarmaflóru“ sem hjálpa til við meltingarferlið. Ristlinum má skipta í fjögur svæði: risristil, þverristil, fallristil og bugaristil. Helstu hlutverk ristilsins eru að draga vatn og steinefnasölt úr ómeltri fæðu og að geyma úrgangsefni. Kjötætur meðal spendýra hafa styttra digurgirni en jurtaætur vegna mataræðis síns.

Endaþarmur og endaþarmsop

Endaþarmurinn er lokahluti digurgirnisins, eins og sýnt er á mynd 34.13. Meginhlutverk endaþarmsins er að geyma saur fram að hægðum. Saurnum er þrýst áfram með iðrahreyfingum við losun. Endaþarmsopið er op á ysta enda meltingarvegarins og er útgönguleið fyrir úrgangsefnin. Tveir hringvöðvar á milli endaþarms og endaþarmsops stjórna losun: innri hringvöðvinn er ósjálfráður en sá ytri er sjálfráður.

Aukalíffæri

Líffærin sem rædd eru hér að ofan eru líffæri meltingarvegarins sem fæðan fer í gegnum. Aukalíffæri eru líffæri sem bæta við seyti (ensímum) sem brjóta niður fæðu í næringarefni. Aukalíffæri eru meðal annars munnvatnskirtlar, lifrin, brisið og gallblaðran. Lifrin, brisið og gallblaðran eru stjórnuð af hormónum sem bregðast við þeirri fæðu sem neytt er.

Lifrin er stærsta innra líffæri manna og hún gegnir mjög mikilvægu hlutverki við meltingu fitu og afeitrun blóðs. Lifrin framleiðir gall, meltingarsafa sem er nauðsynlegur fyrir niðurbrot fituefna fæðunnar í skeifugörninni. Lifrin vinnur einnig úr vítamínum og fitu og myndar mörg plasmaprótein.

Brisið er annar mikilvægur kirtill sem seytir meltingarsöfum. Iðramaukið sem kemur frá maganum er mjög súrt í eðli sínu; brissafinn inniheldur mikið magn af bíkarbónati, basa sem hlutleysir súra iðramaukið. Að auki inniheldur brissafinn mikið úrval ensíma sem eru nauðsynleg fyrir meltingu próteina og kolvetna.

Gallblaðran er lítið líffæri sem hjálpar lifrinni með því að geyma gall og þétta gallsölt. Þegar iðramauk sem inniheldur fitusýrur fer inn í skeifugörnina er gallinu seytt úr gallblöðrunni í skeifugörnina.