دستگاه تنفس و تبادل گازها (زیست ۱)

تبادلات گازی

چرا اصلاً نفس می‌کشیم؟

ریشهٔ همهٔ ماجرا در یاخته است: تنفسِ یاخته‌ای برای ساختِ ATP به اکسیژن نیاز دارد و در همین مسیر $CO_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی تولید می‌کند.

نکته‌ای که خیلی‌ها برعکس به یاد می‌آورند: افزایشِ $CO_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی خون از کاهشِ $O_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی خطرناک‌تر است؛ $CO_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی با آب واکنش می‌دهد، اسیدکربنیک می‌سازد، pH را پایین می‌آورد و ساختارِ پروتئین‌ها را به‌هم می‌ریزد. به همین دلیل هوای بازدمی نسبت به هوای دمی $O_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی کمتر و $CO_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی بیشتری دارد؛ اگر آن را در آب آهک بدمیم، محلول سریع‌تر از هوای اتاق کدر می‌شود.

بخش هادی: مسیری که فقط هوا را آماده می‌کند

دستگاه تنفس دو بخشِ کاملاً متفاوت از نظر وظیفه دارد. بخش هادی از بینی تا نایژکِ انتهایی است و هوا را فقط هدایت، تصفیه، گرم و مرطوب می‌کند:

• بینی: موها ذراتِ درشت را می‌گیرند، مخاطِ مژک‌دار ذراتِ ریز را به دام می‌اندازد و رگ‌های نزدیک به سطح هوا را گرم می‌کنند؛ همین نزدیکیِ رگ‌ها دلیلِ خونریزیِ آسانِ بینی هم هست.
• حلق: گذرگاهِ مشترکِ هوا و غذا که در انتها به حنجره (جلو) و مری (پشت) دوشاخه می‌شود.
• حنجره: جعبه‌ای غضروفی و جایگاهِ پرده‌های صوتی. هنگام بلع رفلکسی بالا کشیده می‌شود تا برچاکنای (اپی‌گلوت) روی چاکنای بیفتد و غذا وارد مسیرِ هوا نشود.
• نای: حلقه‌های غضروفیِ نعل‌اسبی (شبیه حرف C) که دهانهٔ بازشان رو به مری است تا لقمهٔ بزرگ هنگام عبور از مری جا داشته باشد.
• نایژه و نایژک: نایژه‌ها غضروف دارند اما نایژک‌ها غضروف ندارند؛ همین نداشتنِ غضروف اجازه می‌دهد تنگ و گشاد شوند و جریانِ هوا را تنظیم کنند.

دو نایژهٔ اصلی قرینه نیستند و همین عدمِ تقارن پرتکرارترین تلهٔ این بخش است:

نتیجه اینکه جسمِ خارجیِ استنشاق‌شده بیشتر وارد نایژه و شُشِ راست می‌شود.

بخش مبادله‌ای: جایی که تبادل واقعاً رخ می‌دهد

از نایژکِ مبادله‌ای به بعد، کیسه‌های حبابکی مثل خوشهٔ انگور از حبابک‌ها ساخته شده‌اند. دیوارهٔ حبابک سه بازیگر دارد: یاختهٔ سنگ‌فرشی (دیوارهٔ اصلی و فراوان)، یاختهٔ نوع دوم (سازندهٔ عاملِ سطحِ فعال یا سورفاکتانت که کششِ سطحیِ آب را کم و بازشدنِ حبابک را آسان می‌کند؛ کمبودش در نوزادانِ نارس تنفس را دشوار می‌کند) و ماکروفاژ که باکتری‌ها و گردوغبار را می‌بلعد و حتی می‌تواند از منافذِ بینِ حبابک‌های همسایه عبور کند.

دقت کنید مخاطِ مژک‌دار تا نایژکِ مبادله‌ای هست اما در حبابک نیست. فاصلهٔ انتشار هم کمینه شده: دیوارهٔ حبابک و مویرگِ کنارش هر دو یک‌لایه بافتِ پوششیِ سنگ‌فرشی‌اند و جاهایی غشای پایهٔ مشترک دارند.

حمل گازها در خون

بیشترِ $O_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی به هموگلوبینِ گویچه‌های قرمز می‌چسبد: در حبابک که غلظت $O_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی بالاست می‌پیوندد و در بافت که غلظت پایین است جدا می‌شود. هوشمندیِ ماجرا در اثرِ بوهر است: هرچه محیط اسیدی‌تر باشد (pH کمتر، مثلاً در ماهیچهٔ فعالی که $CO_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی زیادی می‌سازد)، میلِ هموگلوبین به $O_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی کمتر می‌شود و اکسیژن بیشتری دقیقاً در همان بافتِ پرنیاز آزاد می‌شود.

برای $CO_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی داستان برعکس است؛ بیشترِ آن به‌صورت یونِ بی‌کربنات در خوناب حمل می‌شود:

این واکنش در شش‌ها معکوس می‌شود و $CO_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی آزاد و دفع می‌گردد؛ مقدار کمتری هم مستقیم به هموگلوبین می‌چسبد. کربن‌مونوکسید (CO) درست به همان جایگاهِ $O_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی روی هموگلوبین می‌نشیند اما به‌آسانی جدا نمی‌شود؛ بی‌رنگ و بی‌بو بودنش لقبِ «قاتلِ خاموش» را برایش ساخته است.

تهویهٔ ششی: دم و بازدم

شُشِ چپ به‌خاطر همسایگی با قلب کوچک‌تر است و ۲ لَپ دارد، شُشِ راست ۳ لَپ. شش‌ها خودشان ماهیچه ندارند و حرکتشان را از قفسهٔ سینه قرض می‌گیرند؛ این اتصال با پردهٔ جنب برقرار است که مایعِ بینِ دو لایه‌اش فشاری کمتر از فشارِ جَو دارد. همین فشار منفی مانع می‌شود شش در بازدم کاملاً جمع شود — و اگر قفسهٔ سینه سوراخ شود، فشار منفی از بین می‌رود و شش می‌خوابد.

زنجیرهٔ دم ساده است: حجمِ قفسه بالا ← حجمِ شش بالا ← فشارِ درون شش پایین ← هوا مکیده می‌شود.

حجم‌ها و ظرفیت‌های تنفسی

حجمِ باقی‌مانده دو کار می‌کند: حبابک‌ها را باز نگه می‌دارد و تبادلِ گاز را در فاصلهٔ بینِ دو نفس ممکن می‌سازد. حدود ۱۵۰ میلی‌لیتر از هر دم هم به حبابک نمی‌رسد و در بخش هادی می‌ماند: هوای مرده. این حجم‌ها را با دَم‌سنج (اسپیرومتر) ثبت می‌کنند — با این قید که حجمِ باقی‌مانده و هر ظرفیتی که شاملش باشد (مثل ظرفیت تام) مستقیماً اندازه‌گیری نمی‌شود.

تنظیم تنفس و سایر اعمال دستگاه تنفس

مرکزِ تنفسِ اصلی در بصل‌النخاع است و فرمانِ انقباضِ ماهیچه‌های دم را صادر می‌کند؛ پل مغزی به‌عنوان مرکز ثانوی مدتِ دم را تنظیم و به آن خاتمه می‌دهد. تفاوتِ ظریفی که زیاد اشتباه گرفته می‌شود: افزایشِ $CO_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی مستقیم و سریع بر بصل‌النخاع اثر می‌گذارد، اما کاهشِ $O_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی محرکی ضعیف‌تر است و اول گیرنده‌های شیمیاییِ آئورت و کاروتید را تحریک می‌کند. عروقِ شش هم استثنا هستند: کمبودِ $O_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی در بیشتر بافت‌ها رگ‌ها را گشاد می‌کند، اما در شش مویرگ‌های همان ناحیه را منقبض می‌کند تا خون به نواحیِ باتهویهٔ بهتر برود.

همین جریانِ هوا ابزارِ رفتارهای دیگری هم هست: تکلم با خوردنِ پرده‌های صوتی به هم، سرفه در پاسخ به تحریکِ حلق و نای، عطسه در پاسخ به تحریکِ مخاطِ بینی، سکسکه با انقباضِ ناگهانیِ میان‌بند و خمیازه به‌صورتِ دمی بسیار عمیق.

تنوع تبادلات گازی در جانداران

هر سطحِ تبادلِ گازی، در هر جانوری، باید چهار شرط را داشته باشد: نازک باشد (مسافتِ انتشار کم)، مرطوب باشد (گاز اول باید در آب حل شود)، گسترده باشد نسبت به حجم بدن، و در مجاورتِ شبکهٔ مویرگی یا مایعِ بدن باشد تا شیبِ غلظت حفظ شود.

• انتشار مستقیم: در پارامسی و هیدر هر یاخته خودش با محیط تبادل می‌کند.
• تنفس پوستی: کرم خاکی و بخشی از تنفسِ دوزیستان؛ پوست باید مرطوب بماند.
• تنفس نایدیسی: در حشراتی مثل ملخ، لوله‌های منشعب گاز را مستقیم به یاخته می‌رسانند و خون در انتقالِ گازهای تنفسی نقشی ندارد.
• تنفس آبششی: در ماهی جهتِ حرکتِ آب و خون همیشه مخالفِ هم است و همین جریانِ مخالف کارایی را به حداکثر می‌رساند. نکتهٔ کمترشناخته اینکه آبشش در ماهیان، سخت‌پوستان و لاروِ دوزیستان راهِ اصلیِ دفعِ موادِ نیتروژن‌دار هم هست.
• تنفس ششی: قورباغه با پمپِ فشارِ مثبت هوا را به شش می‌راند؛ انسان با پمپِ فشارِ منفی می‌مکد؛ پرندگان با کیسه‌های هوادار جریانی یک‌طرفه و پیوسته می‌سازند که کاراییِ تنفسشان را از پستانداران بالاتر می‌برد.