ระบบทางเด นหายใจของมน ษย ว จ ยส งเสร ม

การแลกเปลี่ยนแก๊สของสัตว์มี 2 แบบคือ การแลกเปลี่ยนแก๊สในสัตว์น้ำ และการแลกเปลี่ยนแก๊สใน สัตว์บก ซึ่งมีลักษณะต่างๆดังนี้

1.การแลกเปลี่ยนแก๊สในสัตว์น้ำ

แก๊สออกซิเจนในน้ำมีปริมาณ 0.446% (ในอากาศมี 21%) และแก๊สออกซิเจนแพร่ในน้ำแพร่ช้ากว่าในอากาศประมาณ 1000 เท่า ยิ่งอุณหภูมิสูงแก๊สออกซิเจนที่ละลายอยู่ในน้ำก็ยิ่งน้อยลง ดังนั้นสัตว์ที่อาศัยอยู่ในน้ำจึงต้องทำให้น้ำไหลผ่านบริเวณที่มีการแลกเปลี่ยนแก๊สอย่างรวดเร็ว เพื่อให้ได้แก่มากและเพียงพอแก่การดำรงชีวิต

1.1 โพรโทซัว (Protozoa) ใช้ผิวลำตัวในการแลกเปลี่ยนแก๊ส โดยการแพร่ (diffusion) ของแก๊สโดยตรง (ใช้หลักความเข้มข้นที่แตกต่างกันของแก๊สภายนอกและภายในเซลล์)

1.2 สัตว์น้ำไม่มีกระดูกสันหลัง (Invertebrate)

ฟองน้ำ--> น้ำจะไหลผ่านเข้าทาง Ostia และไหลออกทาง Osculum ขณะที่เกิดการไหลเวียนของน้ำผ่านเซลล์จะเกิดการแลกเปลี่ยนแก๊สได้ทันที ภาพประกอบจาก //biology.unm. edu/ccouncil/Biology203/Summaries/SimpleAnimals.htm

ไฮดรา--> น้ำไหลเข้าออกทางช่องปากผ่าน Gastrovascular cavity ทำให้เกิดการไหลเวียนและเกิดการแลกเปลี่ยนแก๊ส

พลานาเรีย --> ใช้วิธีการแพร่ของแก๊สเข้าและออกทางผิวลำตัวเช่นเดียวกับไฮดรา

พลานาเรียมีผิวลำตัวแบนทำให้มีพื้นที่ผิวที่สัมผัสกับน้ำมาก

ยิ่งขึ้น

หอย-->หอยฝาเดี่ยวในขั้นการเจริญเติบโตจะมีการบิดตัวโดยหันเหงือกจากด้านหลังมาไว้ด้านหน้า เพื่อรับน้ำสะอาดเพื่อใช้ในการแลกเปลี่ยนแก๊สหอยสองฝาใช้เหงือกซึ่งอยู่ในช่องแมนเทิลช่วยในการหายใจ โดยที่หอยสองฝาจะมีเหงือก 1 หรือ 2 คู่ ที่เหงือกจะมีเส้นเลือดฝอยจำนวนมากทำหน้าที่รับแก๊สออกซิเจน

หมึก -->ไม่มีเปลือก มีเหงือก 1 คู่ (Dibranchia) อยู่ภายในช่องตัว น้ำที่ไหลผ่านลำตัวจะถูกดันออกทางช่องไซฟอน (Siphon) ซึ่งมีประโยชน์ในการแลกเปลี่ยนแก๊สและการเคลื่อนที่ หอยงวงช้าง (nautilus) ซึ่งเป็นพวกที่มีเปลือก มีเหงือก 2 คู่หรือ 4 อัน (Tetrabranchia) อยู่ในช่องแมนเทิล

แม่เพรียง (Nereis) --> พาราโพเดีย (parapodia) ทำหน้าที่แลกเปลี่ยนแก๊ส โดยมีเส้นเลือดฝอยมาเลี้ยงบริเวณนี้เป็นจำนวนมาก

กุ้ง --> แลกเปลี่ยนแก๊สโดยใช้เหงือก ซึ่งอยู่ในส่วนเซฟาโรทอแรกซ์ (Cephalothorax) โดยน้ำไหลเวียนและผ่านเข้าสู่ช่องเล็กๆใกล้ๆรยางค์ขาเพื่อให้น้ำไหลเข้าสู่ช่องเหงือกและเกิดการแลกเปลี่ยนแก๊สต่อไป

ดาวทะเล--> มีเหงือกเรียกว่า Dermal branchia ที่เหงือกมีขนเส้นสั้นๆช่วยในการโบกพัดให้น้ำที่มีออกซิเจนสูงผ่านเหงือกแล้วจะเกิดการแลกเปลี่ยนแก๊ส

ปลา--> เหงือกของปลามีลักษณะเป็นแผงเรียกแต่ละแผงว่า Gill arch แต่ละ Gill arch มีแขนงแยกออกมาเป็นซี่เรียกว่า Gill filament แต่ละ Gill filament มีส่วนที่นูนขึ้นมาเรียกว่า Gill lamella ภายใน Gill lamella จะมีร่างแหของเส้นเลือดฝอยอยู่และเป็นบริเวณที่มีการแลกเปลี่ยนแก๊ส ปลาจะว่ายน้ำอยู่เสมอ ทำให้น้ำที่มีออกซิเจนผ่านเข้าทางปากและผ่านออกทางเหงือกตลอดเวลาช่วยให้แลกเปลี่ยนแก๊สได้ดีขึ้นโดยกระดูกปิดเหงือก (Operculum) ของปลาจะขยับอยู่ตลอดเวลาซึ่งจะทำให้เกิดการหมุนเวียนของน้ำที่เหงือกและเพื่อให้เกิดการแลกเปลี่ยนแก๊สได้ดียิ่งขึ้น

การแลกเปลี่ยนแก๊สในสัตว์บก

ไส้เดือนดิน(Earth worm) --> ใช้ผิวลำตัวในการแลกเปลี่ยนแก๊ส โดยผิวลำตัวของไส้เดือนดินจะเปียกชื้นอยู่เสมอ ออกซิเจนในอากาศจะละลายน้ำที่เคลือบอยู่ที่ผิวลำตัวของไส้เดือนแล้วจึงแพร่เข้าสู่เส้นเลือดฝอยที่กระจายอยู่ใต้ผิวหนังของไส้เดือน

หอยฝาเดี่ยว (Gastropod)ที่อาศัยอยู่บนบก --> หายใจด้วยปอด ซึ่งเปลี่ยนแปลงมาจากแมนเทิล โดยมีเส้นเลือดฝอยแตกแขนงจำนวนมก เรียกว่า Pulmonate lung ทำหน้าที่แลกเปลี่ยนแก๊ส

แมงมุม (Spider)--> หายใจด้วย ปอดแผง หรือ Book lung ซึ่งติดต่อกับอากาศภายนอกได้ภายในมีลักษณะเป็นแผ่นบางเรียงซ้อนกันคล้ายหนังสือ แก๊สออกซิเจนจะแพร่เข้าสู่ของเหลวภายใน Book lung และถูกลำเลียงไปยังส่วนต่างๆ

แมลง (Insect)--> ใช้ระบบท่อลม (Tracheal system) ซึ่งประกอบด้วยรูเปิด (Spiracle) ที่บริเวณส่วนอกและส่วนท้อง และท่อลม (Trachea) แทรกกระจายเข้าสู่ทุกส่วนของร่างกาย ลำตัวของแมลงจะมีการเคลื่อนไหวและขยับอยู่เสมอในขณะหายใจ ทำให้อากาศไหลเข้าทางรูเปิด (spiracle) และเข้าสู่ถุงลม (airsac) แล้วจึงผ่านไปตามท่อลมและท่อลมย่อยซึ่งมีผนังบางทำหน้าที่แลกเปลี่ยนแก๊ส

** ดังนั้นระบบหมุนเวียนเลือดของแมลงจึงไม่ค่อยมีความสำคัญมากนักเพราะเนื้อเยื่อได้รับแก๊สออกซิเจนจากท่อลมย่อยโดยตรง**

กบ (Frog)--> ลูกอ๊อด หายใจด้วยเหงือก เรียกว่า external gill เมื่อโตเต็มวัยกบจะหายใจด้วยปอด (Lung) และผิวหนัง กบมีปอด 1 คู่ ไม่มีกะบังลม ไม่มีซี่โครงและกล้ามเนื้อกระดูกซี่โครง

นก (Aves)--> ใช้พลังงานสูง ระบบหายใจของนกจึงต้องดีมาก ปอดนกมีขนาดเล็กแต่มีถุงลม (Air sac) เจริญดีมาก ในขณะหายใจเข้ากระดูกอกจะลดต่ำลง ถุงลมขยายขนาดขึ้น อากาศจะผ่านเข้าสู่หลอดลมแล้วเข้าสู่ถุงลมที่อยู่ตอนท้าย ส่วนอากาศที่ใช้แล้วจะออกจากปอดเข้าสู่ถุงลมตอนหน้า ในขณะที่หายใจออก อากาศจากถุงลมที่อยู่ตอนท้ายจะเข้าสู่ปอดทำให้ปอดพองออกและอากาศจากถุงลมตอนหน้าถูกขับออกนอกร่างกายต่อไปเป็นอย่างนี้อยู่เสมอ ถุงลมไม่ได้ทำหน้าที่ในการแลกเปลี่ยนแก๊สแต่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการถ่ายเทอากาศให้แก่ปอดได้เป็นอย่างดี นอกจากนี้ถุงลมยังอาจแทรกเข้าไปในกระดูกด้วย ทำให้กระดูกของนกกลวงและเบาจึงเหมาะในการบินเป็นอย่างมาก

สัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนม (Mammal)--> มีระบบหายใจดีมาก หายใจโดยใช้ปอด ภายในประกอบด้วยถุงลมเล็กๆ ที่เรียกว่า แอลวีโอลัส (Alveolus) มีกล้ามเนื้อกะบังลม (Diaphragm) และกล้ามเนื้อกระดูกซี่โครงช่วยในการหายใจ ทำให้อากาศเข้าและออกจากปอดได้เป็นอย่างดี

ระบบการแลกเปลี่ยนแก๊สของคนประกอบด้วย 2 ขั้นตอน คือ

1.external respiration --> เป็นการนำอากาศเข้า-ออกจากปอด และการแลกเปลี่ยนแก๊สบริเวณส่วนต่างๆ ของร่างกาย

2. internal respiration --> การหายใจระดับเซลล์ (cellular respiration)

ระบบแลกเปลี่ยนแก๊สของคนประกอบส่วนต่างๆ ดังนี้

1. ส่วนที่นำอากาศเข้าสู่ร่างกาย --> เริ่มตั้งแต่รูจมูก โพรงจมูก (nasal cavity) คอหอย (pharynx) กล่องเสียง (larynx) หลอดลมคอ (trachea) หลอดลมหรือขั้วปอด (bronchus) หลอดลมฝอย (bronchiole)

2. ส่วนที่เกิดการแลกเปลี่ยนแก๊ส --> หลอดลมฝอยแลกเปลี่ยนแก๊ส มีลักษณะเป็นถุงลมย่อย (pulmonary-alveoli) ซึ่งทำให้แลกเปลี่ยนแก๊สได้

** กระดูกซี่โครง (rib) และกล้ามเนื้อยึดกระดูกซี่โครง ซึ่งจะร่วมกันทำงานให้เกิดการหายใจเข้า หายใจออกและป้องกันอันตรายให้แก่ระบบหายใจด้วย **

ปอดเป็นอวัยวะที่ทำหน้าที่ในการหายใจ ตั้งอยู่ภายในทรวงอกมีปริมาตรประมาณ 2 ใน 3 ของทรวงอก ปอดขวาจะสั้นกว่าปอดซ้าย เนื่องจากตับซึ่งอยู่ทางด้านล่างดันขึ้นมา ส่วนปอดซ้ายจะแคบกว่าปอดขวาเพราะว่ามีหัวใจแทรกอยู่ ปอดมีเยื่อหุ้มปอด (Pleura) 2 ชั้น ชั้นนอกติดกับผนังช่องอกเรียกว่า parietal pleura ชั้นในติดกับผนังของปอดเรียกว่า visceral pleura ระหว่างเยื่อทั้งสองชั้นมีของเหลวที่เรียกว่า pleura fluid เคลือบอยู่

จมูกและปาก

- โพรงจมูกจะมีขนและต่อมน้ำมันช่วยในการกรองและจับฝุ่นละอองไม่ให้ผ่านลงสู่ปอด

- โพรงจมูกยังมีเยื่อบุจมูกหนาช่วยให้อากาศที่เข้ามามีความชุ่มชื้นเพิ่มขึ้นและมีอุณหภูมิสูงขึ้นเนื่องจากเส้นเลือดจำนวนมากที่อยู่ใต้เยื่อบุผิวของโพรงจมูก

- ออลแฟกเทอรีแอเรีย (Olfactory area) ในจมูกเป็นบริเวณที่ทำหน้าที่รับกลิ่นโดยมีเซลล์เยื่อบุผิวเรียกว่า ออลแฟกทอรีเซลล์ (olfactory cell) มีพื้นที่ประมาณ 10 ตารางเซนติเมตร และจะมีขนาดเล็กลงเมื่ออายุมากขึ้น

คอหอย(Pharynx) เป็นบริเวณที่พบกันของช่องจมูกและช่องปาก อากาศจะผ่านเข้าสู่กล่องเสียง (larynx) โดยมี ฝาปิดกล่องเสียง (epiglottis) ทำหน้าที่ป้องกันไม่ให้อาหารตกลงสู่หลอดลม และที่กล่องเสียงจะมีเยื่อเมือกที่มีใยเอ็นยืดหยุ่นได้เรียกว่า เส้นเสียง (vocal cord) เมื่อลมผ่านกล่องเสียงจะทำให้เส้นเสียงสั่นและเกิดเป็นเสียงขึ้น

หลอดลมคอ(Trachea) เป็นท่อกลวงมีกระดูกอ่อนเรียงเป็นรูปเกือกม้าทำให้หลอดลมคอไม่แฟบ หลอดลมคอของผู้ใหญ่ยาวประมาณ 9-15 เซนติเมตร โดยจะเริ่มจากกระดูกคอชิ้นที่ 6 จนถึงกระดูกอกชิ้นที่ 5 แล้วแตกแขนงเป็นหลอดลมขั้วปอด(bronchus) เข้าสู่ปอด

หลอดลมฝอย(Bronchiole) แบ่งออกเป็น 2 ส่วนคือ

- Terminal bronchiole --> แยกออกจากหลอดลมแขนงมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.5-1 มิลลิเมตร พบกล้ามเนื้อเรียบและเยื่ออิลาสติกไฟเบอร์ไม่พบโครงสร้างที่เป็นกระดูกอ่อน

- Respiratory bronchiole --> เป็นส่วนแรกที่มีการแลกเปลี่ยนแก๊ส

ท่อลม(Alveolar duct) เป็นท่อส่วนสุดท้ายของส่วนที่มีการแลกเปลี่ยนแก๊ส (respiratory pision) ซึ่งจะไปสิ้นสุดที่ถุงลม (alveolar sac)

ถุงลมและถุงลมย่อย(alveolus หรือ alveolar sac และ pulmonary alveoli) เป็นถุงมีเซลล์พิเศษหลั่งสารพวกฟอสโฟลิพิด (phospholipid) เรียกว่า เซอร์แฟกแทนท์(surfactant) เข้าสู่ถุงลมย่อยเพื่อลดแรงตึงผิวของถุงลมย่อยไม่ให้ติดกัน ผนังของถุงลมย่อยมีรูซึ่งเป็นช่องติดต่อระหว่างถุงลมย่อยทำให้อากาศภายในถุงลมย่อยมีแรงดันเท่ากันทั้งปอด ปอดแต่ละข้างจะมีถุงลมปอดประมาณ 300 ล้านถุง แต่ละถุงจะมีเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ยประมาณ 0.25 เซนติเมตร คิดเป็นพื้นที่ทั้งหมดของการแลกเปลี่ยนแก๊สของถุงลมปอดทั้งสองข้างประมาณ 90 ตารางเมตรหรือคิดเป็น 40 เท่าของพื้นที่ผิวของร่างกาย การที่ปอดยืดหยุ่นได้ดีและขยายตัวได้มาก ทำให้ร่างกายได้รับแก๊สออกซิเจนและคายแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์อย่างเพียงพอ

การหายใจ (Breathing) คือ การหายใจเข้า (inspiration) และการใจออก (expiration) โดยเกิดจากการทำงานร่วมกันของกล้ามเนื้อกะบังลม กล้ามเนื้อยึดกระดูกซี่โครงซี่โครงด้านนอกและกล้ามเนื้อยึดกระดูกซี่โครงด้านใน

** การหายใจส่วนท้อง (abdominal breathing) คือ การหายใจที่เกิดจากกล้ามเนื้อกระบังลม (ความสำคัญประมาณ 75%)

** การหายใจส่วนอก (chest breathing) การหายใจซึ่งเกิดจากกระดูกซี่โครงและกล้ามเนื้อยึดซี่โครงด้านนอก (มีความสำคัญประมาณ 25%)

การหายใจเข้า (Inspiration) --> กล้ามเนื้อกระบังลมและกล้ามเนื้อยึดซี่โครงด้านนอกหดตัว ทรวงอกและปอดขยายตัวขึ้นปริมาตรภายในปอดเพิ่มขึ้น ความดันภายในปอดจึงลดลงและต่ำกว่าบรรยากาศภายนอก อากาศภายนอกจึงเคลื่อนตัวเข้าสู่ปอด จนทำให้ความดันภายนอกและภายในปอดเท่ากันแล้วอากาศก็จะไม่เข้าสู่ปอดอีก

การหายใจออก (expiration) --> กล้ามเนื้อกระบังลมและกล้ามเนื้อยึดซี่โครงด้านนอกคลายตัวลง ปอดและทรวงอกมีขนาดเล็กลง ปริมาตรของอากาศในปอดลดลง ความดันภายในปอดสูงกว่าบรรยากาศภายนอก อากาศจึงเคลื่อนที่ออกจากปอดจนความดันในปอดลดลงเท่ากับความดันภายนอก อากาศก็จะหยุดการเคลื่อนที่

การหายใจเข้า-ออกจะเกิดสลับกันโดยปกติผู้ใหญ่จะหายใจประมาณ 15 ครั้งต่อนาที ส่วนในเด็กจะมีอัตราการหายใจสูงกว่าผู้ใหญ่เล็กน้อย

การแลกเปลี่ยนแก๊สในร่างกายของคนเกิดขึ้น 2 แห่งคือที่ปอดและที่เนื้อเยื่อ

ปอด --> เกิดการแลกเปลี่ยนแก๊สระหว่างในถุงลมปอดกับเส้นเลือดฝอย โดยออกซิเจนจากถุงลมปอดจะแพร่เข้าสู่เส้นเลือดฝอยรอบๆถุงลมปอดและรวมตัวกับฮีโมโกลบิน (haemoglobin; Hb) ที่ผิวของเม็ดเลือดแดงกลายเป็นออกซีฮีโมโกลบิล(oxyhemoglobin ; HbO2) ซึ่งมีสีแดงสด เลือดที่มีออกซีฮีโมโกลบินนี้จะถูกส่งเข้าสู่หัวใจและสูบฉีดไปยังเนื้อเยื่อต่างๆทั่วร่างกาย

เนื้อเยื่อ --> ออกซีฮีโมโกลบินจะสลายให้ออกซิเจนและฮีโมโกลบิน ออกซิเจนจะแพร่เข้าสู่เซลล์ทำให้เซลล์ของเนื้อเยื่อได้รับออกซิเจน

ขณะที่เนื้อเยื่อรับออกซิเจนนั้น คาร์บอนไดออกไซด์ที่เกิดขึ้นในเซลล์ก็จะแพร่เข้าเส้นเลือด คาร์บอนไดออกไซด์ส่วนใหญ่จะทำปฏิกิริยากับน้ำในเซลล์เม็ดเลือดแดงเกิดเป็นกรดคาร์บอนิก(H2CO3) ซึ่งแตกตัวต่อไปได้ไฮโดรเจนคาร์บอเนตไอออน (HCO3-) และไฮโดรเจนไอออน (H+) เมื่อเลือดที่มีไฮโดรเจนคาร์บอเนตไอออนมากไหลเข้าสู่หัวใจจะถูกสูบฉีดต่อไปยังเส้นเลือดฝอยรอบๆถุงลมปอด ไฮโดรเจนคาร์บอเนตไอออนและไฮโดรเจนไอออนจะรวมตัวกันเป็นกรดคาร์บอนิกแล้วจึงสลายตัวเป็นคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำในเซลล์เม็ดเลือดแดง เป็นผลให้ความหนาแน่นของคาร์บอนไดออกไซด์ในเส้นเลือดฝอยสูงกว่าคาร์บอนไดออกไซด์ในถุงลมปอด จึงเกิดการแพร่ของคาร์บอนไดออกไซด์จากเส้นเลือดฝอยเข้าสู่ถุงลมปอด

ศูนย์ควบคุมการหายใจ คือ สมองส่วนเมดัลดาออบลองกาตา(medulla oblongata) ซึ่งมีความไวต่อปริมาณของแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์หรือไฮโดรเจนคาร์บอเนตไอออนและไฮโดรเจนไอออน โดยจะกระตุ้นทำให้เกิดการหายใจเข้าเพิ่มมากขึ้น ดังนั้นถ้าหากมีแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ในเลือดเพิ่มขึ้นก็จะทำให้เกิดการการกระตุ้นเพิ่มขึ้นด้วย

การวัดอัตราการหายใจ

การหายใจเข้าและการหายใจออกของคนเป็นจังหวะที่ต่อเนื่องกัน ซึ่งเกี่ยวข้องกับเมแทบอลิซึม กิจกรรมต่างๆของเซลล์เป็นผลจากเมแทบอลิซึมเซลล์ที่ใช้พลังงานมากแสดงว่ามีอัตราเมแทบอลิซึมสูงแต่การวัดอัตราเมแทบอลิซึมโดยตรงนั้นทำได้ยากจึงเปลี่ยนเป็นการวัดอัตราการใช้ออกซิเจนแทน โดยถือว่าเซลล์หรือร่างกายที่มีอัตราเมเทบอลิซึมสูงจะมีอัตราการนำออกซิเจนเข้าสูงด้วย

ตารางแสดงอัตราการหายใจของสัตว์บางชนิดขณะพัก

ชนิดของสัตว์

อัตราการหายใจ

(ลูกบาศก์มิลลิเมตรของออกซิเจนต่อ 1 กรัมน้ำหนักของสัตว์ต่อ 1 ชั่วโมง)

ซีแอนนีโมนี

หมึกยักษ์

หมึก

ปลาไหล

กบ

นกฮัมมิง

หนู

คน

13

80

320

128

150

3500

1500

200

ปริมาตรอากาศที่หายใจเข้าปกติ แต่ละครั้งมีประมาณ 500 ลูกบาศก์เซนติเมตร ถ้าบังคับให้มีการหายใจเข้าเต็มที่มากที่สุด จะมีอากาศเข้าไปยังปอดเพิ่มมากขึ้นจนอาจถึง 6,000 ลูกบาศก์เซนติเมตร ซึ่งเป็นระดับที่ปอดจะจุอากาศได้เต็มที่เช่นเดียวกับการบังคับการหายใจออกเต็มที่ อากาศจะออกจากปอดมากที่สุดเท่าที่ความสามารถของกล้ามเนื้อกะบังลมและกล้ามเนื้อซี่โครงจะทำได้ ซึ่งจะเห็นว่าเมื่อหายใจออกเต็มที่แล้วยังคงมีอากาศตกค้างในปอด ประมาณ 1,100 ลูกบาศก์เซนติเมตร

ในคนที่ออกกำลังกายอยู่เสมอเช่น นักกีฬา ซึ่งสามารถสูดลมหายใจเข้าเต็มที่ได้มากกว่าคนทั่วไปเพราะกล้ามเนื้อที่ใช้ในการสูดลมหายใจทำงานได้ดี คนกลุ่มนี้จะทำกิจกรรมอยู่ได้นานและเหนื่อยช้ากว่าคนทั่วไป