تبادل مواد با محیط — علوم تیزهوشان هفتم (استعداد درخشان)

تبادل مواد با محیط (علوم تیزهوشان هفتم)

هر جاندار باید با محیط خود مواد رد و بدل کند: اکسیژن بگیرد و $\text{CO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و پسماند بدهد. این فصل سطح تنفسی، اندازه‌گیری حجم‌های تنفسی، تبادل گاز و نقش کبد، کلیه و شش در ترکیب خون و ثابت ماندن محیط داخلی را بررسی می‌کند.

سطح تنفسی

در جانداران تک‌سلولی تبادل گاز از راه غشای سلول انجام می‌شود و بیشترشان در آب زندگی می‌کنند، چون سطح تنفسی باید مرطوب باشد؛ گازها به صورت محلول در آب مبادله می‌شوند و برای تک‌سلولی حتی یک قطره آب کافی است. تبادل با انتشار انجام می‌شود، پس هرچه سطح نازک‌تر باشد، انتشار سریع‌تر است. اما هرچه سطح تنفسی بزرگ‌تر شود، در برابر خشک شدن آسیب‌پذیرتر است. ویژگی‌های سطح تنفسی: نازک (غالباً یک لایه سلول)، مرطوب، وسیع، در تماس با مویرگ‌های فراوان که با بردن گاز شیب غلظت را حفظ می‌کنند، و در تماس با هوا یا آب تازه.

سرعت انتشار با سطح و اختلاف غلظت زیاد و با ضخامت کم می‌شود: $\text{rate}\propto\frac{A\times\Delta C}{d}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی. سطحی با مساحت $70\,\text{m}^2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و ضخامت $0.5\,\mu\text{m}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی نسبت به سطحی $1\,\text{m}^2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی با ضخامت $1\,\mu\text{m}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی با اختلاف غلظت برابر، $\frac{70/0.5}{1/1}=140$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی برابر سریع‌تر است؛ شش انسان نمونهٔ اول است. در جانداران بزرگ، سلول‌ها از سطح بدن دورند و نسبت سطح به حجم کم است، پس دستگاه گردش مواد و شبکهٔ مویرگی وسیع گازها را به همهٔ سلول‌ها می‌رساند.

ویژگی‌های سطح تنفسی در طول زمان تغییری نکرده‌اند (مرطوب، نازک، نزدیک مویرگ)، اما شیوهٔ قرارگیری آن تغییر کرده است. در کیسهٔ هوایی شش انسان تبادل به همان شیوهٔ تک‌سلولی است؛ فرق این است که در تک‌سلولی تبادل بیرون بدن و در انسان درون بدن است و تعداد کیسه‌ها افزایش یافته تا سطح به حداکثر برسد. حتی کیسه‌های هوایی هم در تماس مستقیم با هوای بیرون نیستند و هوا با دم وارد می‌شود.

• تک‌سلولی (آمیب): غشای سلول، انتشار مستقیم از آب.
• کرم خاکی و دوزیستان: پوست مرطوب با مویرگ زیر پوست (تنفس پوستی).
• ماهی: آبشش با رشته‌های بسیار نازک پر از مویرگ.
• حشره: نای‌ها، لوله‌های هوا که تا نزدیک سلول‌ها می‌روند، بدون کمک خون.
• پرندگان، خزندگان و پستانداران: شش با کیسه‌های ریز در تماس با مویرگ.

کرم خاکی بدن کشیده و باریک با نسبت سطح به حجم زیاد دارد و پوستش باید همیشه مرطوب بماند؛ برای همین در آفتاب می‌میرد. در آبشش ماهی، آب و خون در خلاف جهت هم حرکت می‌کنند (جریان مخالف) و کارایی بالا می‌رود؛ چون آب اکسیژن بسیار کمتری از هوا دارد، سطح بزرگ لازم است. سطح تنفسی از سطح بیرونی (پوست) به سطح درونی چین‌خورده (آبشش و شش) رسیده تا هم بزرگ‌تر شود و هم از خشکی محفوظ بماند.

اسپیرومتر و ظرفیت تنفسی

برای ساخت اسپیرومتر ظرفی ۴ لیتری را با استوانهٔ مدرج ۲۵۰ میلی‌لیتری پر و هر بار روی چسب کاغذی علامت می‌زنیم، سپس آن را پر از آب و وارونه در لگن آب می‌گذاریم و با لوله و نی بازدم می‌کنیم؛ پایین رفتن سطح آب حجم هوای بازدمی را نشان می‌دهد. بازدم عادی هوای جاری و بازدم عمیق پس از دم عمیق ظرفیت حیاتی را می‌دهد. این اندازه‌ها را می‌توان با سن، قد، وزن، چاقی و ورزشکار بودن افراد مقایسه کرد.

• هوای جاری: هوای هر دم و بازدم عادی، حدود $500\,\text{mL}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی.
• هوای مکمل: هوای اضافه با دم عمیق پس از دم عادی، حدود $3000\,\text{mL}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی.
• هوای ذخیره: هوای اضافه با بازدم عمیق پس از بازدم عادی، حدود $1100\,\text{mL}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی.
• هوای باقی‌مانده: هوایی که همیشه در شش می‌ماند، حدود $1200\,\text{mL}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی.
• ظرفیت حیاتی = جاری + مکمل + ذخیره، حدود $4600\,\text{mL}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی؛ ظرفیت کل با هوای باقی‌مانده حدود $5800\,\text{mL}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی.

برای فردی با $500+2800+1000$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی ظرفیت حیاتی $4.3\,\text{L}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است. اگر سطح آب ۱۸ خط ۲۵۰ میلی‌لیتری پایین برود، $18\times250=4500\,\text{mL}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی؛ خطای اندازه‌گیری یک خط است و تکرار و میانگین دقت را بالا می‌برد. تهویهٔ دقیقه‌ای با هوای جاری $500\,\text{mL}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و ۱۵ تنفس $7.5\,\text{L/min}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و در ورزش با $2500\,\text{mL}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و ۳۰ تنفس $75\,\text{L/min}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است. حدود $150\,\text{mL}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی از هر دم در مجاری می‌ماند (فضای مرده)؛ هوای مفید $350\times15=5250\,\text{mL}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی در دقیقه است. تنفس سطحی با $250\,\text{mL}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و ۳۰ بار با همان $7.5\,\text{L}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی کل، فقط $3000\,\text{mL}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی هوای مفید می‌دهد؛ پس تنفس عمیق‌تر مؤثرتر از تنفس سریع‌تر است. ظرفیت حیاتی به قد، جنس، سن، ورزش، ارتفاع محل زندگی، سیگار و بیماری بستگی دارد.

تبادل گاز در شش و بافت

انتقال گاز میان خون و شش و میان خون و بافت با انتشار انجام می‌شود و هر گاز از جای پرغلظت به کم‌غلظت می‌رود. در شش $\text{O}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی از هوای کیسه به خون و $\text{CO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی از خون به هوا؛ در بافت $\text{O}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی از خون به سلول و $\text{CO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی از سلول به خون می‌رود. خون سیاهرگ ششی کاملاً بی‌$\text{CO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی نیست، چون انتشار تا برابر شدن تقریبی غلظت‌ها ادامه دارد، نه صفر شدن؛ $\text{CO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی در تنظیم pH خون هم نقش دارد. خون سیاهرگی بافت‌ها هم هنوز اکسیژن زیادی دارد، چون بافت در استراحت فقط حدود ۲۵٪ آن را می‌گیرد و بقیه ذخیرهٔ ایمنی برای ورزش است. اگر هر $100\,\text{mL}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی خون سرخرگی $20$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و سیاهرگی $15\,\text{mL}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی اکسیژن داشته باشد، با برون‌ده $5000\,\text{mL/min}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی بدن $\frac{5000}{100}\times5=250\,\text{mL}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی اکسیژن در دقیقه مصرف می‌کند. هر گرم هموگلوبین حدود $1.34\,\text{mL}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی اکسیژن حمل می‌کند و $15\,\text{g}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی هموگلوبین در هر $100\,\text{mL}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی خون حدود $20\,\text{mL}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی اکسیژن می‌دهد؛ در کم‌خونی حمل اکسیژن کم است.

نقش اندام‌ها در ترکیب خون

خون خروجی از کبد نسبت به ورودی $\text{CO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و اوره بیشتر و اکسیژن و (پس از غذا) گلوکز کمتر دارد، چون کبد پرکار است و از تجزیهٔ آمینواسیدها اوره می‌سازد؛ در گرسنگی کبد گلوکز آزاد می‌کند. خون خروجی از کلیه $\text{CO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی بیشتر، اکسیژن کمتر و اوره بسیار کمتر دارد، چون اوره در ادرار دفع می‌شود؛ گلوکز تقریباً همان است، چون بازجذب می‌شود و قند در ادرار نشانهٔ بیماری مانند دیابت است. خون خروجی از شش $\text{CO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی کمتر و اکسیژن بیشتر دارد و اوره و گلوکز تقریباً ثابت‌اند. اگر اوره از $30$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی به $12\,\text{mg/dL}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی برسد، $60\%$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی دفع شده است.

کلیه و آب دریا

غلیظ‌ترین ادرار کلیهٔ انسان ۶ گرم سدیم در لیتر دارد و آب دریا حدود ۱۲ گرم. برای دفع نمک یک لیتر آب دریا $\frac{12}{6}=2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی لیتر ادرار لازم است؛ یعنی علاوه بر آب نوشیده‌شده، یک لیتر آب هم از بدن می‌رود. کم‌آبی بدتر می‌شود، سلول‌ها با اسمز چروکیده می‌شوند، تشنگی بیشتر می‌شود و در نهایت نارسایی کلیه و مرگ رخ می‌دهد. با نوشیدن ۳ لیتر آب دریا، $36\,\text{g}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی نمک و $6\,\text{L}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی ادرار لازم است و کسری آب ۳ لیتر می‌شود. برخی پرندگان و لاک‌پشت‌های دریایی غدد نمکی دارند، اما انسان ندارد.

هم‌ایستایی

در جانداران پرسلولی ثابت ماندن محیط داخلی برای کار درست سلول‌ها ضروری است و همهٔ دستگاه‌ها در آن همکاری می‌کنند: شش گاز تبادل می‌کند، دستگاه عصبی تنظیم می‌کند، گوارش مواد و آب را می‌گیرد، گردش مواد توزیع می‌کند، کلیه آب و اوره و نمک اضافی را تنظیم و دفع می‌کند و پوست گرما را با تعریق دفع می‌کند. نمونه‌ها: عرق و گشاد شدن رگ‌های پوست در گرما، لرزیدن و تنگ شدن رگ‌های پوست در سرما برای حفظ دمای حدود $37\,^\circ\text{C}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، انسولین پس از غذا برای ثابت نگه داشتن قند، ادرار غلیظ و کم و تشنگی در کم‌آبی، ادرار رقیق با آب زیاد و تنفس سریع‌تر در ورزش برای ثابت نگه داشتن pH. اگر دریافت آب $2.5+0.3=2.8\,\text{L}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و خروجی $1.5+0.9+0.1=2.5\,\text{L}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی باشد، بدن با ادرار بیشتر تعادل برقرار می‌کند؛ در تابستان یا ورزش عرق بیشتر و ادرار کمتر می‌شود. هم‌ایستایی یعنی حفظ محدودهٔ مناسب، نه ثابت ماندن مطلق.

اشتباه‌های رایج