การแลกเปลี่ยนก๊าซออกซิเจนและก๊าซคาร์บอนไดออกไซค์เกิดขึ้นที่ใด

ระบบหายใจ

ระบบหายใจ คือ ระบบการแลกเปลี่ยนแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ภายในร่างกายกับแก๊สออกซิเจนที่อยู่นอกร่างกาย โดยมีอวัยวะที่สำคัญ ประกอบด้วย จมูก หลอดลม ปอด ถุงลมภายในปอด กะบังลมและซี่โครง อากาศที่เราหายใจเข้าไปมีแก๊สออกซิเจนประมาณ 21% แต่เมื่อหายใจออกแก๊สออกซิเจนจะลดลงเหลือ 16%

ให้นักเรียนสังเกตจากรูป ส่วนประกอบของอากาศในลมหายใจเข้าและในลมหายใจออกแตกต่างกันอย่างไร

ที่มาภาพ :http://joongka333.blogspot.com/2013/03/blog-post.html

อวัยวะที่เกี่ยวข้องกับระบบหายใจ

1.จมูกเป็นอวัยวะภายนอกที่มองเห็นได้ชัดเจน ทำหน้าที่เป็นทางผ่านของอากาศ โดยมีขนจมูกกรองฝุ่นละอองต่างๆที่ผ่านเข้าระหายใจเข้า และมีเยื่อเมือกหนาบุอยู่ คอยดักจับเชื้อโรคและยังมีกลุ่มประสาทสัมผัสคอยรับกลิ่น

2.คอหอย กล่องเสียง และหลอดลมทำหน้าที่เป็นทางผ่านของอากาศที่ต่อจากจมูกที่เราหายใจ ปลายของหลอดลมจะเชื่อมต่อกับขั้วปอดทั้ง 2 ข้าง

3.ปอดปลอดมี 2 ข้าง วางอยู่ทรวงอก อากาศที่ผ่านหลอดลมมาจะเข้าสู่ขั้วปอด และแยกไปตามแขนงขั้วปอด  ซึ่งปอดเป็นอวัยวะที่สำคัญที่สุดในระบบหายใจ มีปอดด้านซ้ายและปอดด้านขวา  ปอดจะทำหน้าที่ในการนำก๊าซ CO2ออกจากเลือด และนำออกซิเจนเข้าสู่เลือด ปอดจึงมีรูปร่างใหญ่ มีลักษณะยืดหยุ่นคล้ายฟองน้ำด้านนอกของปอดทั้งสองข้างจะมีเยื่อบางๆ ห่อหุ้ม เพื่อให้ปอดไม่ได้รับอันตราย เรียกว่าเยื้อหุ้มปอดเยื้อหุ้มปอดไม่เพียงคลุมปอดเท่านั้น ยังไปบุผิวหนังด้านในของทรวงอกอีก หรือกล่าวได้อีกอย่างหนึ่งว่า เยื่อหุ้มปอดซึ่งมี 2 ชั้น ระหว่าง 2 ชั้นนี้มี ของเหลวอยู่นิดหน่อย เพื่อลดแรงเสียดสี ระหว่างเยื่อหุ้มมีโพรงว่าง เรียกว่าช่องระหว่างเยื่อหุ้มปอด

4.กะบังลมและซี่โครงทำหน้าที่เป็นกลไกสำคัญในการหายใจ ขณะที่ปริมาณแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ในกระแสเลือดมาก งานมายังกะบังลมและซีกโครงทำให้กะบังลมหดและซีกโครงเคลื่อนตัวสูงขึ้น ทำให้เกิดการหายใจเข้า

การหายใจเข้ากล้ามเนื้อกะบังลมหดตัวและกล้ามเนื้อยึดกระดูกซี่โครงดึงกระดูกซี่โครงให้ยกตัวขึ้น ปริมาตรของช่องอกที่เพิ่มขึ้น ทำให้ความดัน ในช่องอกลดลง ส่งผลให้อากาศจากภายนอกเคลื่อนที่เข้าสู่ปอด
การหายใจออกกล้ามเนื้อกะบังลมคลายตัวจะยกตัวสูงขึ้น เป็นจังหวะเดียวกับกระดูกซี่โครงลดต่ำลง ทำให้ปริมาตรในช่องอกลดลง ความดัน เพิ่มขึ้น มากกว่าความดันของอากาศภายนอก อากาศจึงเคลื่อนที่ออกจากปอด

ที่มาภาพ:https://anatomyfivelife.wordpress.com

การแลกเปลี่ยนแก๊สที่ถุงลม

จะเกิดการแลกเปลี่ยนแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ แก๊สออกซิเจน แก๊สในโตรเจน และไอน้ำ ผ่านเข้า-ออกถุงลมโดยผ่านเยื้อบางๆของถุงลม

เลือดที่ผ่านหัวใจจะเข้าสู่ปอด ซึ่งเป็นเลือดที่มีปริมาณออกซิเจนต่ำ มีปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์สูง เมื่อมาถึงถุงลมจะเกิดการแลกเปลี่ยนแก๊ส โดยออกซิเจนจากถุงลมจะแพร่เข้าสู่เส้นเลือด ขณะเดียวกันคาร์บอนไดออกไซด์ในเส้นเลือดจะแพร่เข้าสู่ถุงลม และจะขับออกทางลมหายใจ

ที่มาภาพ :http://www.bwc.ac.th/e-learning/virachai02/haijai.htm

ก.การขนส่งก๊าซออกซิเจนไปสู่เซลล์ในเนื้อเยื่อส่วนต่างๆของร่างกาย เพื่อให้เซลล์นำออกซิเจนไปใช้ประโยชน์ในขบวนการเมตาโบลิซึมและ การรับเอาก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่เซลล์ผลิตได้ขนส่งไปถ่ายเทออกที่ถุงลมปอดจะดำเนินไปได้โดยใช้เลือดเป็นตัวพาไป ออกซิเจนจากอากาศที่เข้าสู่ร่างกายจะแพร่ผ่านผนังของถุงลมที่ปอดเข้าไปในเลือดได้ใน 2 ลักษณะคือ ออกซิเจนจะละลายในเลือดหรือพลาสม่า (dissolved oxygen) และออกซิเจนที่รวมตัวกับเฮโมโกลบินหรือเกาะกับเฮโมโกลบิน (oxyhaemoglobin) ส่วนของ dissolved oxygen ได้แก่ส่วนของออกซิเจนที่ละลายตัวในน้ำเลือดหรือพลาสม่า ซึ่งจะมีเป็นส่วนน้อย เพราะส่วนใหญ่ออกซิเจนที่เข้าสู่ร่างกายเพื่อไปสู่เนื้อเยื่อตามส่วนต่างๆจะรวมตัวกับเฮโมโกลบินอย่างหลวมๆ เรียกว่า oxyhaemoglobin โดยการเกิดปฏิกริยาทางเคมีที่สามารถเปลี่ยนแปลงกลับไปมาได้ Hb + O2 HbO2 ในเลือดแดงหรือเลือดที่ผ่านการแลกเปลี่ยนก๊าซที่ปอดแล้วจะมีออกซิเจนสูงเพราะมีการรวมตัวระหว่างออกซิเจนและเฮโมโกลบิน ซึ่งจะเพิ่มค่า oxygen carring capacity ของเลือด ในเลือดแดง 100 ซีซีจะมีก๊าซออกซิเจน 70 ซีซี เนื่องจากเลือด 100 ซีซี มีเฮโมโกลบิน 15 กรัม และ 1 กรัมเฮโมโกลบินสามารถรวมกับออกซิเจนได้ 1.34 ซีซี

ข.การขนส่งก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในเลือดมี 3 แบบด้วยกันคือ dissolved carbondioxide, bicarbonate และ carbaminohamoglobin การขนส่งก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในร่างกายจะเป็นการขนส่งในรูปของไบคาร์บอเนท (bicarbonate)มากที่สุด โดยก๊าซที่เกิดขึ้นในเซลล์จะแพร่เข้ามาในเลือด(diffuse) แล้วจะเข้าทำปฏิกริยากับน้ำในเลือดได้เป็นกรดคาร์บอนิก(carbonic acid) เนื่องจากในเลือดมีเอ็นไซม์คาร์บอนิกแอนไฮเดรส (carbornic anhydrase) ที่เป็นตัวเร่งปฏิกริยาทำให้กรดคาร์บอนิกแตกตัวได้ H+และ HCO3- H+ ที่เกิดขึ้นจะไปรวมตัวกับ reduced hemoglobin (ที่เกิดจากการปลดปล่อย O2 ออกจาก oxyhemoglobin ) เนื่องจาก มีฤทธิ์เป็นกรดน้อยกว่าปรากฎการณ์นี้เรียกว่า holdane effect ซึ่งหมายถึงปรากฎการณ์ที่เลือดให้ O2 แก่เนื้อเยื่อมากเท่าใดก็สามารถรับ CO2 ได้มากขึ้นเท่านั้น ส่วน HCO3- ที่เกิดขึ้นในเม็ดเลือดแดงเมื่อมีมากกว่าในน้ำเลือดก็จะแพร่ออกจากเม็ดเลือดมาในน้ำเลือด แต่ H+ ไม่สามารถออกมาจากเม็ดเลือดได้ จึงต้องมี Cl- ถูกดึงเข้าไปในเม็ดเลือดแดงเพื่อรักษาความสมดุลของอิออนในเลือดเรียกขบวนการนี้ว่า chloride shift

การแลกเปลี่ยนก๊าซออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ที่ถุงลมปอดจะเกิดขึ้นด้วยขบวนการแพร่ (diffusion) เนื่องจากอากาศที่เข้ามาอยู่ในถุงลมจะอยู่ใกล้ชิดกับเส้นเลือดฝอยมาก จึงเกิดการแลกเปลี่ยนก๊าซกันได้ โดยขบวนการแพร่ในรูปของของเหลว (liquid phase diffusion) การแพร่ของก๊าซที่เกิดขึ้นเกิดจากความแตกต่างระหว่างความดันของก๊าซในเลือดและความดันของก๊าซในถุงลม(alveolar air) โดยก๊าซที่มีความเข้มข้นสูงจะแพร่ไปยังก๊าซที่มีความเข้มข้นต่ำกว่าจนกระทั่งความดันเท่ากันหรือเกิดความสมดุลของความดันทั้งสองฝ่าย สำหรับอากาศในถุงลมจะมีความดันของก๊าซออกซิเจนสูงและความดันของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ต่ำ ดังนั้นออกซิเจนจึงแพร่จากถุงลมเข้าไปสู่เลือด(เลือดดำ)ใน pulmonary capillary ส่วนคาร์บอนไดออกไซด์จะแพร่จากเลือดดำที่มีความดันสูงกว่าเข้าสู่ถุงลมปอดแทน โดยการแพร่ของอากาศในถุงลมนั้นออกซิเจนจะแพร่ได้เร็วกว่าคาร์บอนไดออกไซด์ ในร่างกายสัตว์เลี้ยงการแลกเปลี่ยนก๊าซที่เกิดจากการหายใจจะเป็นไปตามกฎ Dalton’s law ที่กล่าวว่าในก๊าซผสมที่ประกอบด้วยก๊าซหลายชนิดรวมกัน ก๊าซแต่ละชนิดจะทำให้เกิดความดันเรียกว่า partial pressure หรือ tension ความดันของก๊าซแต่ละชนิดจะมากหรือน้อยขึ้นกับความเข้มข้นของก๊าซนั้นๆในก๊าซผสมโดยไม่ขึ้นกับก๊าซอื่นเลย และความดันรวมของก๊าซผสมจะเท่ากับผลรวมของ partial pressure ของก๊าซแต่ละชนิดที่รวมกันเป็นก๊าซผสม

ด้วยเหตุที่ความดันของก๊าซแต่ละชนิดในเลือดแดง เลือดดำ และในถุงลม มีความแตกต่างกัน โดยออกซิเจนในถุงลมมีความดันสูงกว่าในเลือดดำและคาร์บอนไดออกไซด์ในเลือดดำมีความดันสูงกว่าในถุงลม จึงเกิดการแลกเปลี่ยนก๊าซกันขึ้นระหว่างก๊าซในถุงลมและในเลือดดำ การปลดปล่อยออกซิเจนที่เกาะมากับเฮโมโกลบินจะเกิดได้เร็วหรือช้าจะขึ้นกับปริมาณก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่เกิดขึ้นในเซลล์ ปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์ที่สูงขึ้นในเลือดจะมีผลให้เลือดมีค่าความเป็นกรดสูง ซึ่งจะมีส่วนในการกระตุ้นให้เฮโมโกลบินปลดปล่อยออกซิเจนได้เร็วขึ้น นอกจากนี้ความร้อนที่เกิดขึ้นจากปฏิกริยาทางเคมีในร่างกายก็มีส่วนในการเร่งการปลดปล่อยออกซิเจนจากเฮโมโกลบินด้วย ค่าอัตราส่วนระหว่างปริมาตรของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่หายใจออกกับปริมาตรของก๊าซออกซิเจนที่หายใจเข้าเพื่อนำไปใช้ในขบวนการเมตาโบลิซึมจะเรียกว่า ค่า RQ (respiratory quotient)