گفتار 1
سازوکار دستگاه تنفس در انسان
چرا نفس می‌کشیم؟
مقدمه
تنفس از جمله نشانه‌های بارز حیات در اغلب جانوران است، اما شیوه انجام این فرایند در گونه‌های مختلف تفاوت‌هایی دارد. بسیاری از ما نفس کشیدن را با زنده بودن مترادف می‌دانیم؛ به‌طوری‌که هنگام بررسی وضعیت حیاتی یک فرد، اغلب توجه می‌کنیم که آیا تنفس دارد یا نه. این موضوع نشان می‌دهد که تنفس نقشی بنیادی در ادامه حیات دارد.
همچنین عوامل آسیب‌زایی مانند آلودگی هوا و مصرف دخانیات می‌توانند بر عملکرد این دستگاه حیاتی اثر منفی بگذارند.
در این فصل با تبادلات گازی در بدن جانوران، به‌ویژه انسان، آشنا می‌شویم و خواهیم دید که این فرایند چگونه انجام می‌شود و چه نقشی در حفظ زندگی دارد.
اهمیت تنفس
در گذشته، ارسطو نفس کشیدن را عاملی برای خنک شدن قلب می‌دانست. ارسطو از ترکیب گازی هوای پیرامون آگاه نبود. از آنجا که تصور می‌کرد هوا تنها از یک نوع گاز تشکیل شده، تفاوتی میان هوای دمی و هوای بازدمی قائل نبود. امروزه می‌دانیم که هوا مخلوطی از گازهای مختلف است و ترکیب آن در ورود و خروج از بدن تفاوت دارد.
مطالعات جدید نشان می‌دهند که:
هوای واردشده به بدن دارای میزان بیشتری از اکسیژن است.
هوای خارج‌شده از بدن نسبت به هوای ورودی، حاوی مقدار بالاتری از کربن دی‌اکسید می‌باشد.
در هوای دمی نسبت اکسیژن به کربن دی‌اکسید بیشتر از هوای بازدمی است.
این اختلاف در ترکیب شیمیایی گازهای تنفسی نشان‌دهنده آن است که عمل تنفس تنها به رفت‌وآمد هوا محدود نمی‌شود، بلکه مبادله هدفمند گازها در سطح یاخته‌ها، برای ادامه عملکرد طبیعی بدن ضرورت دارد.
برای آنکه یاخته‌ها بتوانند انرژی موردنیاز فعالیت‌های زیستی خود را تأمین کنند، لازم است مواد مغذی مانند گلوکز را تجزیه کرده و انرژی حاصل را در قالب مولکولی به نام ATP ذخیره نمایند. این واکنش تنها در حضور اکسیژن به‌طور کامل انجام می‌گیرد و به آن تنفس یاخته‌ای گفته می‌شود:
گلوکز + اکسیژن + ADP و فسفات ← ATP + آب + کربن دی‌اکسید
ATP نقشی کلیدی در تأمین انرژی برای انجام فعالیت‌های یاخته‌ای دارد.
همزمان با تولید ATP، گاز کربن دی‌اکسید نیز به‌عنوان محصول زائد تولید می‌شود.
چنانچه این گاز در بدن تجمع یابد، با آب واکنش داده و ماده‌ای به نام کربنیک اسید تولید می‌کند:
کربن دی‌اکسید + آب ← کربنیک اسید
وجود این ترکیب اسیدی موجب کاهش pH خون شده و می‌تواند ساختار و عملکرد پروتئین‌ها را مختل کند. با توجه به اینکه بیشتر فرایندهای حیاتی یاخته‌ها توسط پروتئین‌ها انجام می‌گیرد، این اختلال منجر به نارسایی در عملکرد طبیعی اندام‌ها می‌شود. به همین دلیل، افزایش کربن دی‌اکسید برای بدن خطرناک‌تر از کمبود اکسیژن است.
شکل 1 - یاخته‌های بدن، گازهای تنفسی را با خون و خون این گازها را در شش‌ها با هوا مبادله می‌کند.
آیا هوای دمی با هوای بازدمی متفاوت است؟
آگاهی امروز ما از ترکیب گازهای هوا نشان می‌دهد که باورهای گذشته، مانند دیدگاه ارسطو درباره یکنواختی ترکیب هوای دمی و بازدمی، نادرست بوده‌اند. اکنون مشخص شده است که:
در هوای دمی، اکسیژن بیشتر و کربن دی‌اکسید کمتر است.
در هوای بازدمی، کربن دی‌اکسید نسبت به هوای ورودی افزایش می‌یابد.
خون روشن دارای اکسیژن بالا و کربن دی‌اکسید پایین است.
خون تیره حاوی مقدار بیشتری از کربن دی‌اکسید است.
این یافته‌ها اهمیت تبادل گازها در بدن را روشن می‌سازد و نقش حیاتی این فرایند را در ادامه زندگی نشان می‌دهد.
پژوهش‌های دانشمندان در ابتدا وجود سه گاز نیتروژن، اکسیژن و کربن دی‌اکسید را در هوا نشان داد. حالا می‌خواهیم در یک آزمایش، هوای دمی و بازدمی را از نظر مقدار نسبی کربن دی‌اکسید بررسی کنیم. اما چگونه می‌توان مقدار کربن دی‌اکسید را در هوا تشخیص داد؟
برای انجام این آزمایش می‌توان از محلول آب آهک بی رنگ یا برم تیمول بلو رقیق (آبی رنگ) که معرف کربن‌دی‌اکسید هستند استفاده کرد. با دمیدن کربن دی‌اکسید به درون این محلول‌ها آب آهک شیری‌رنگ و برم تیمول بلو زردرنگ می‌شود.
دستگاه را مطابق شکل سوار کنید انتهای لوله بلند را درون محلول و انتهای لوله کوتاه را در بالای محلول قرار دهید.
به آرامی از طریق لوله مرکزی عمل دم و بازدم را انجام دهید. هنگام دم از انتهای لولۀ بلند داخل ظرف «ب» و هنگام بازدم از انتهای لولۀ بلند داخل ظرف «الف» حباب خارج می‌شود.
دم و بازدم را ادامه دهید تا رنگ معرف در یکی از ظرف‌ها تغییر کند. تغییر رنگ در ظرف «الف» مشاهده می‌شود.
چند دقیقه دیگر نیز به دم و بازدم ادامه دهید باگذشت زمان، تغییر رنگ در ظرف «ب» نیز مشاهده می‌شود.
اکنون به پرسشهای زیر پاسخ دهید:
الف) چرا هوای دمی به یک ظرف و هوای بازدمی به ظرف دیگر وارد می‌شود؟
انتهای لولۀ بلند متصل به لولۀ مرکزی داخل مایع ظرف «الف» قرار دارد. بنابراین هنگام دم مایع بر اثر مکش ایجاد شده وارد این لوله می شود و هوا از لولۀ کوتاه متصله به لولۀ مرکزی وارد می‌شود. البته این هوا از خارج از طریق لولۀ بلند ظرف «ب» وارد این ظرف می‌شود.
هنگام بازدم هوای ظرف «ب» راهی برای خروج ندارد پس هوای زیادی وارد این ظرف نمی‌شود. در حالی که هواز از طریق لولۀ بلند وارد مایع ظرف «الف» شده و در نهایت به وسیله لولۀ کوتاه ظرف «ب» خارج می‌شود.
ب) نخست در کدام ظرف تغییر رنگ مشاهده کردید؟
در ظرف مربوط به لولۀ هوای بازدمی (ظرف الف) که حباب‌های هوا از آن خارج می‌شود.
پ) آیا معرف در هر دو ظرف سرانجام تغییر رنگ داد؟ این موضوع چه چیزی را برای ما روشن می‌کند؟
بله هوای بازدمی به ظرف «ب» نیز وارد می‌شود البته به مقدار کم و مستقیماً وارد مایع نمی‌شود و تنها با سطح آن تماس می‌یابد؛ در نتیجه تغییر رنگ کندتر و تدریجی انجام می‌شود.
بخش‌های عملکردی دستگاه تنفس: بخش هادی
از نظر عملکردی، دستگاه تنفس به دو بخش اصلی تقسیم می‌شود: بخش هادی و بخش مبادله‌ای. در این بخش، ابتدا به بررسی کامل بخش هادی پرداخته می‌شود.
مقایسه عملکرد بخش هادی و مبادله‌ای دستگاه تنفس
ویژگی | بخش هادی | بخش مبادله‌ای |
وظیفه اصلی | هدایت هوا، پاکسازی، گرم و مرطوب کردن هوا | مبادله گازها با خون |
اجزا | از بینی تا نایژک انتهایی | پس از نایژک انتهایی (شامل نایژک مبادله‌ای) |
وجود غضروف | دارد (نای، نایژه‌ها) | ندارد. |
بخش هادی، از مجاری تنفسی‌ای تشکیل شده است که وظیفه هدایت هوا به درون و بیرون دستگاه تنفسی را بر عهده دارند. علاوه‌براین، این بخش:
هوای ورودی را از ناخالصی‌ها، مثل میکروب‌های بیماری‌زا و ذرات گرد و غبار پاکسازی می‌کند.
آن را گرم و مرطوب می‌سازد تا برای مبادله گازها با خون مناسب باشد.
اجزای تشکیل‌دهنده بخش هادی: از بینی تا نایژک انتهایی، به بخش هادی تعلق دارند.
ویژگی‌های ساختاری بخش هادی
1. بینی:
ابتدای مسیر ورود هوا در بینی با پوست نازکی پوشیده شده است که دارای موهای محافظ است. این موها مانعی در برابر ورود ناخالصی‌های هوا ایجاد می‌کنند.
پس از پایان این پوست، مخاط مژک‌دار آغاز می‌شود که در سراسر مجاری هادی ادامه پیدا می‌کند. این مخاط شامل:
یاخته‌های مژک‌دار استوانه‌ای (شکل 2)
ترشحات مخاطی
در این ترشحات، مواد ضد میکروبی وجود دارد.
شکل 2 - در مخاط نای سلول‌های استوانه‌ای مژک‌دار قرار دارند.
2. عملکرد مژک‌ها و ترشحات مخاطی:
ترشحات مخاطی، ناخالصی‌های هوا را هنگام عبور به دام می‌اندازند.
مژک‌ها با حرکت ضربانی خود، ترشحات مخاطی و ناخالصی‌های به دام افتاده را به سوی حلق می‌رانند.
3. مرطوب و گرم شدن هوا:
ترشحات مخاطی، هوا را مرطوب می‌کنند. این امر برای تبادل گازها ضرورت دارد، زیرا گازهای تنفسی تنها در صورتی که محلول در آب باشند، می‌توانند بین شش‌ها و خون مبادله شوند.
در بینی، یک شبکه وسیع از رگ‌هایی با دیواره نازک وجود دارد که هوا را گرم می‌کند. این شبکه به سطح درونی بینی بسیار نزدیک است، بنابراین آسیب‌پذیرتر است و آسان‌تر از دیگر نقاط، دچار خونریزی می‌شود.
مسیر عبور هوا پس از بینی
1. حلق
هوا پس از عبور از بینی یا دهان یا هر دو وارد حلق می‌شود.
حلق گذرگاهی ماهیچه‌ای است که هم هوا و هم غذا از آن عبور می‌کند.
انتهای حلق به دو راهی تقسیم می‌شود:
در جلو: حنجره
در پشت: مری
2. حنجره
حنجره در بالای نای قرار دارد و دو نقش اساسی ایفا می‌کند:
دیواره غضروفی آن، مجرای عبور هوا را باز نگه می‌دارد.
درپوش برچاکنای (اپی‌گلوت)، هنگام بلع غذا بسته می‌شود تا مانع ورود آن به مجرای تنفسی گردد.
شکل 3 - حلق و حنجره
نای
نای لوله‌ای با دیواره‌ای حاوی حلقه‌های غضروفی به شکل حرف C یا نعل اسب است.
ویژگی حلقه‌های غضروفی نای
حلقه‌های غضروفی نای، مجرا را همواره باز نگه می‌دارند.
دهانه باز حلقه‌ها به سمت مری قرار دارد.
این چیدمان باعث می‌شود که لقمه‌های بزرگ در مری بدون برخورد با مانع، عبور کنند.
شکل 4 - حلقه‌های غضروفی نای
لایه‌های بافت دیواره نای (از بیرون به درون)
بافت پیوندی
لایه غضروفی - ماهیچه‌ای
لایه زیرمخاط
لایه مخاطی
در مخاط نای، یاخته‌های پوششی استوانه‌ای مژک‌دار نیز حضور دارند که در به‌دام‌اندازی ناخالصی‌ها نقش دارند.
شکل 5 - ساختار بافتی دیوارۀ نای. دیوارۀ نای از بیرون به درون شامل چهار لایه است: 1. پیوندی 2. غضروفی ماهیچه‌ای 3. زیر مخاط 4. مخاط
نایژه‌ها و نایژک‌ها
نایژه‌ها
نای در انتهای خود به دو شاخه اصلی تقسیم می‌شود که نایژه نام دارند.
هر کدام از نایژه‌ها وارد یک شش شده و در آن به شاخه‌های باریک‌تر تقسیم می‌گردد.
با پیشروی به سمت شاخه‌های ریزتر، از میزان غضروف موجود کاسته می‌شود.
نایژک‌ها
شاخه‌هایی از نایژه که فاقد غضروف هستند، نایژک نامیده می‌شوند.
به علت نداشتن غضروف، نایژک‌ها می‌توانند تنگ و گشاد شوند. قابلیت تنگ و گشاد شدن نایژک‌ها به دستگاه تنفس این امکان را می‌دهد که میزان هوای ورودی و خروجی را تنظیم کند.
نایژک انتهایی، آخرین بخش از شاخه‌های نایژکی در قسمت هادی است.
نایژک انتهایی آخرین نایژک دستگاه تنفس نیست؛ بلکه پس از آن، بخش مبادله‌ای آغاز می‌شود که نایژک مبادله‌ای را شامل می‌شود.
شکل 6 - انشعابات نای
تفاوت‌های نایژه‌ها و نایژک‌ها در دستگاه تنفس
ویژگی | نایژه | نایژک |
منشأ | انشعاب نای | از شاخه‌های نایژه |
وجود غضروف | دارد (با پیشروی از میزان آن کاسته می‌شود) | فاقد غضروف |
قابلیت تنگ و گشاد شدن | ندارد (حفظ شکل توسط غضروف) | دارد. |
موقعیت | قبل از نایژک | پس از نایژه |
انواع | اصلی، با شاخه‌های باریک‌تر | معمولی، انتهایی و مبادله‌ای |
بخش‌های عملکردی دستگاه تنفس: بخش مبادله‌ای
بخش مبادله‌ای دستگاه تنفس با ساختارهایی به نام حبابک مشخص می‌شود. نایژک‌هایی که روی آن‌ها حبابک وجود دارد، نایژک مبادله‌ای نامیده می‌شوند. در انتهای هر نایژک مبادله‌ای، ساختاری خوشه‌مانند از تجمع حبابک‌ها تشکیل می‌شود که به آن کیسه حبابکی گفته می‌شود.
نکته مهم: آخرین بخشی از مجاری تنفسی که همچنان پوشش مژک‌دار دارد، نایژک مبادله‌ای است؛ هرچند در بخش انتهایی آن، این ویژگی از بین می‌رود. بنابراین در محل حبابک‌ها، دیگر مخاط مژک‌دار وجود ندارد.
شکل 7 - بخش مبادله‌ای دستگاه تنفس
یاخته‌های ایمنی در حبابک‌ها
در فضای داخلی حبابک‌ها، گروهی از یاخته‌های دستگاه ایمنی به‌نام درشت‌خوار (ماکروفاژ) مستقر شده‌اند. این یاخته‌ها، که در دیگر بخش‌های بدن نیز حضور دارند، دارای توانایی حرکت و بیگانه‌خواری هستند. آن‌ها با نابود کردن باکتری‌ها و ذرات گرد و غباری که از سد مخاط مژک‌دار عبور کرده‌اند، نقش مهمی در دفاع از بدن ایفا می‌کنند.
شکل 8 - یاخته‌های درشت‌خوار در حبابک‌ها
نقش عامل سطح فعال (سورفاکتانت)
در زمان دم و بازدم، حجم کیسه‌های حبابکی تغییر می‌کند. سطح داخلی حبابک‌ها که با هوا تماس دارد، با لایه‌ای نازک از آب پوشیده شده است. این آب به‌واسطه نیروی کشش سطحی، در برابر باز شدن حبابک‌ها مقاومت ایجاد می‌کند.
برای کاهش این مقاومت، ماده‌ای به‌نام عامل سطح فعال (سورفاکتانت) از برخی یاخته‌های حبابک‌ها (یاخته‌های نوع دوم) ترشح می‌شود. این ماده با کاهش نیروی کشش سطحی آب، باز شدن حبابک‌ها را آسان‌تر می‌سازد. سورفاکتانت در سطحی از حبابک که در مجاورت هواست ترشح می‌شود.
نکته: ترشح این ماده از اواخر دوران جنینی آغاز می‌شود. در برخی نوزادانی که نارس به دنیا می‌آیند، سورفاکتانت به مقدار کافی تولید نمی‌شود و به همین دلیل، تنفس برای آن‌ها دشوار می‌شود.
شکل 9 - عامل سطح فعال در سطحی که مجاور هواست ترشح می‌شود.
تبادل گاز در حبابک‌ها
شبکه‌ای گسترده از مویرگ‌های خونی در پیرامون حبابک‌ها قرار دارد که نقش مهمی در فرایند تبادل گاز ایفا می‌کنند. چون این مویرگ‌ها در مجاورت مستقیم حبابک‌ها قرار دارند، امکان تبادل گازها میان هوای درون حبابک و خون فراهم می‌شود.
عبور گازها از دیواره حبابک و مویرگ
برای اینکه گازهایی مانند اکسیژن و دی‌اکسید کربن بتوانند مبادله شوند، باید از دیواره نازک حبابک‌ها و مویرگ‌ها عبور کنند. لایه‌های پوششی هر دو ساختار (حبابک و مویرگ) از یک ردیف یاخته‌های نازک و سنگ‌فرشی تشکیل شده‌اند که ضخامت اندکی دارند.
در جاهای متعددی از محل اتصال حبابک و مویرگ، غشای پایه میان دو لایه یاخته‌ای مشترک است. در نتیجه، گازها فقط از یک غشای پایه عبور می‌کنند، که این موضوع باعث کاهش مسیر انتشار و افزایش کارایی تبادل گازها می‌شود.
شکل 10 - مویرگ‌های خونی فراوان، اطراف حبابک‌ها را احاطه کرده‌اند.
ساختار دیواره حبابک‌ها
دیواره هر حبابک از دو نوع یاخته تشکیل شده است:
یاخته‌های نوع اول (سنگ‌فرشی): این یاخته‌ها، بسیار نازک و فراوان‌اند و وظیفه‌ی تبادل گازها را بر عهده دارند.
یاخته‌های نوع دوم: ظاهری متفاوت و تعداد کمتری دارند و وظیفه‌شان ترشح عامل سطح فعال (سورفاکتانت) است.
یادآوری: درشت‌خوارها با اینکه درون حبابک‌ها دیده می‌شوند، اما جزو ساختار دیواره آن‌ها محسوب نمی‌شوند.
شکل 11 - ساختار حبابک‌ها