กระบวนการใดที่เกี่ยวข้องกับการแลกเปลี่ยนแก๊สออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ในร่างกายคน

ระบบหายใจกับการรักษาดุลยภาพของร่างกาย

วิดีโอ YouTube

            นักเรียนได้ทราบมาแล้วว่าสิ่งมีชีวิตทุกชนิดต้องการพลังงานสำหรับนำไปใช้ในกิจกรรมต่างๆ  พลังงานเหล่านี้ได้มาจากการสลายโมเลกุลของสารอาหาร  โดยประมาณร้อยละ  90  ของพลังงานที่ได้นั้นมาจากการสลายโมเลกุลของสารอาหารแบบใช้ออกซิเจน  ซึ่งจะได้น้ำและแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ออกมาด้วย  ดังนั้นสิ่งมีชีวิตจึงจำเป็นต้องมีกระบวนการหายใจเพื่อ นำแก๊สออกซิเจนไปใช้ในกระบวนการเมแทบอลิซึมและปล่อยแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ออกมาสิ่งมีชีวิตที่มีโครงสร้างของร่างกายรวมทั้งสภาพแวดล้อมที่อยู่อาศัยแตกต่างกันจะมีโครงสร้างในการแลกเปลี่ยนแก๊สเหมือนหรือแตกต่างกันหรือไม่ นักเรียนจะได้ศึกษาในหัวข้อต่อไปนี้

            6.1.1โครงสร้างที่ใช้ในการแลกเปลี่ยนแก๊สของสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวและของสัตว์

            สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว  เช่น  อะมีบา  พารามีเซียม  เซลล์จะสัมผัสกับสิ่งแวดล้อมที่เป็นน้ำอยู่ตลอดเวลาจึงมีการแลกเปลี่ยนแก๊สกับสิ่งแวดล้อมโดยตรงโดยผ่านเยื่อหุ้มเซลล์   สัตว์หลายเซลล์ขนาดเล็กที่อาศัยอยู่ในน้ำ  และยังไม่มีระบบหมุนเวียนเลือด  เช่น  ฟองน้ำ  ไฮดรา  และหนอนตัวแบน  เซลล์แต่ละเซลล์จะแลกเปลี่ยนแก๊สผ่านเยื่อหุ้มเซลล์โดยตรงเช่นเดียวกับสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว

ภาพการแลกเปลี่ยนแก๊สของพารามีเซียม

ภาพการแลกเปลี่ยนแก๊สของไฮดรา (ซ้าย) พลานาเรีย (ขวา)

         ไส้เดือนดิน เป็นสัตว์ที่อาศัยอยู่บนบกมีลำตัวกลม  มีขนาดร่างกายใหญ่กว่าพลานาเรียมาก  ยังไม่มีโครงสร้างที่ทำหน้าที่เฉพาะในการแลกเปลี่ยนแก๊ส  แต่จะมีการแลกเปลี่ยนแก๊สโดยเซลล์ที่อยู่บริเวณผิวหนังของลำตัวที่เปียกชื้น  แก๊สที่แพร่ผ่านผิวหนังเข้ามา  จะถูกลำเลียงโดยระบบหมุนเวียนเลือดไปสู่เซลล์ต่างๆ  ทั่วร่างกายขณะเดียวกันแก๊สที่เซลล์ขจัดออกมาก็จะถูกลำเลียงโดยระบบหมุนเวียนเลือดและปล่อยออกนอกร่างกายทางผิวหนัง

ภาพโครงสร้างการแลกเปลี่ยนแก๊สของไส้เดือน

              สัตว์ที่มีร่างกายขนาดใหญ่และซับซ้อนมากขึ้นเซลล์ที่อยู่ภายในร่างกายไม่มีโอกาสได้สัมผัสกับสิ่งแวดล้อมที่มีแก๊สออกซิเจนโดยตรง  โดยเฉพาะสัตว์ที่มีสิ่งปกคลุมร่างกาย  เช่น  ขน  เกล็ด  ซึ่งแก๊สออกซิเจนผ่านเข้าไปไม่ได้  สัตว์เหล่านี้จำเป็นต้องมีอวัยวะพิเศษ  เพื่อแลกเปลี่ยนแก๊ส  เช่น  เหงือกของปลา  ปอดของคน  และท่อลมของแมลง  เป็นต้น  

              โครงสร้างที่ใช้ในการแลกเปลี่ยนแก๊สไม่ว่าจะเป็นผิวหนัง  ปอด  ท่อลม  และเหงือก  จะมีลักษณะสำคัญ  คือ  มีลักษณะบาง  พื้นที่ผิวต้องมากพอที่จะแลกเปลี่ยนแก๊สได้อย่างมีประสิทธิภาพ  มีการลำเลียงแก๊สไปยังเซลล์ที่อยู่บริเวณอื่นๆ  ได้อย่างรวดเร็ว  มีการป้องกันอันตรายให้กับโครงสร้างที่ใช้แลกเปลี่ยนแก๊ส  และต้องมีความชื้นอยู่ตลอดเวลา  เนื่องจากเยื่อหุ้มเซลล์ของสิ่งมีชีวิตทุกชนิดจะคงสภาพอยู่ได้ต้องมีน้ำ  ดังนั้นแก๊สออกซิเจนที่จะผ่านเข้าสู่เซลล์จึงต้องละลายน้ำเสียก่อนจึงจะเข้าสู่เซลล์ได้

ภาพโครงสร้างการแลกเปลี่ยนแก๊สของแมลง

แมลง  เป็นสัตว์ที่อาศัยอยู่บนบกเป็นส่วนใหญ่  ร่างกายไม่ได้สัมผัสกับน้ำโดยตรงจึงมีวิวัฒนาการอวัยวะแลกเปลี่ยนแก๊สให้อยู่ภายในร่างกายเพื่อให้เซลล์ชุ่มชื้นอยู่เสมอ  และเพื่อป้องกันการสูญเสียน้ำ  โครงสร้างที่ใช้ในการแลกเปลี่ยนแก๊สของแมลงประกอบด้วย  ท่อลม  (trachea) ซึ่งแตกแขนงเป็น  ท่อลมฝอย (tracheole)  ขนาดเล็ก  ที่มีผนังบางมากแทรกไปตามส่วนต่างๆ  ของร่างกายและไปสิ้นสุดที่เซลล์ของเนื้อเยื่อต่างๆ อากาศจะผ่านช่องหายใจ  (spiracle)  ซึ่งเป็นรูเล็กๆ  อยู่ด้านข้างลำตัว  ส่วนท้องเข้าสู่ท่อลม  ท่อลมมีขนาดเล็กและมีผนังบางมาก  การแลกเปลี่ยนแก๊สจะเกิดขึ้นระหว่าง  ปลายท่อลมฝอยขนาดเล็กกับเซลล์โดยตรง  นอกจากนี้แมลงที่บินได้บางชนิดยังมี ถุงลม  (air  sac)  ซึ่งติดต่อกับช่องหายใจอยู่ภายในส่วนท้องเป็นจำนวนมาก  เพื่อสำรองอากาศไว้ขณะบิน

ภาพโครงสร้างการแลกเปลี่ยนแก๊สของแมงมุม

     แมงมุม  ไม่มีท่อลมแทรกไปตามเนื้อเยื่อต่างๆ  แต่มีท่อลมซ้อนเป็นชั้นพับไปมามีลักษณะคล้ายแผงและมีหลอดเลือกนำคาร์บอนไดออกไซด์มาแลกเปลี่ยนที่แผงท่อลมนี้แล้วรับออกซิเจน  จึงเรียกโครงสร้างที่ใช้ในการแลกเปลี่ยนแก๊สของแมงมุมว่า ปอดแผง  (book  lung)

ภาพโครงสร้างการแลกเปลี่ยนแก๊สของปลา

สัตว์น้ำจะได้เปรียบสัตว์บกตรงที่บริเวณแลกเปลี่ยนแก๊สมีความชุ่มชื้นอยู่เสมอเนื่องจากสัมผัสกับน้ำโดยตรง  แต่มีข้อเสียเปรียบคือ  ในน้ำมีปริมาณแก๊สออกซิเจนละลายอยู่น้อยมากคือประมาณร้อยละ 0.5  เมื่อเปรียบเทียบกับปริมาณแก๊สออกซิเจนในอากาศ  ซึ่งมีถึงร้อยละ 21  และแก๊สออกซิเจนยังแพร่ในน้ำได้ช้ากว่าในอากาศประมาณ 1,000  เท่า  ถ้าอุณหภูมิของน้ำสูงขึ้นก็ยิ่งจะมีแก๊สออกซิเจนละลายในน้ำได้น้อยลง  แต่สัตว์น้ำก็สามารถรับแก๊สออกซิเจนได้เพียงพอต่อความต้องการ  เนื่องจากมีการจัดเรียงเนื้อเยื่อของอวัยวะที่ใช้แลกเปลี่ยนแก๊ส  เช่น  เหงือกของปลาและกุ้งจะมีลักษณะเป็นซี่ๆ  เรียงกันเป็นแผง  แต่ละซี่จะมีขนาดเล็กมากประกอบด้วยเซลล์ที่เรียงตัวเป็นชั้นบางๆ  ห่อหุ้มเลือกฝอยทำให้แก๊สสามารถแพร่ผ่านเข้าไปได้ง่าย

              ปลาที่กำลังว่ายน้ำหรือลอยตัวอยู่นิ่งๆ  จะพบว่าแผ่นกระดูกปิดเหงือกหรือแผ่นแก้มของปลาจะเคลื่อนไหวอยู่ตลอดเวลา  โดยการเคลื่อนไหวจะเป็นจังหวะพอดีกับการอ้าปากและหุบปากของปลาด้วย  การทำงานที่สัมพันธ์กันเช่นนี้ทำให้น้ำ  ซึ่งมีแก๊สออกซิเจนละลายอยู่เข้าทางปากแล้วผ่านออกทางเหงือกตลอดเวลา   และแก๊สออกซิเจนจะแพร่ผ่านเข้าสู่หลอดเลือดฝอยที่เหงือก  แล้วหมุนเวียนไปตามระบบหมุนเวียนเลือดต่อไป

ภาพโครงสร้างการแลกเปลี่ยนแก๊สของนก

     ปอดของนกมีท่อเชื่อต่อกับถุงลมซึ่งมีถึง  9  ถุง ลักษณะเช่นนี้มีประโยชน์ต่อการดำรงชีวิตของนกอย่างไร  นกมีปอดที่เจริญดีทำให้สามารถแลกเปลี่ยนแก๊สได้ดีและนำแก๊สออกซิเจนที่ได้ไปใช้ในการสลายสารอาหารเพื่อให้ได้พลังงานสำหรับใช้ในกิจกรรมต่างๆ  เช่น  ใช้ในการบินซึ่งเป็นกิจกรรมที่ต้องใช้พลังงานมาก  การที่นกมีถุงลมเชื่อมต่อกับปอดนั้นก็เพื่อสำรองอากาศไว้ใช้ขณะบิน  โดยอากาศที่หายใจเข้าแต่ละครั้งจะผ่านถุงลมส่วนหน้าก่อนเข้าสู่ปอดและถุงลมส่วนหลัง  ดังนั้นในแต่ละรอบของการหายใจ  นกจะต้องมีการหายใจเข้าและออก  2  ครั้ง

                6.1.2 โครงสร้างที่ใช้ในการแลกเปลี่ยนแก๊สของคน

                      อากาศเข้าสู่ปอดโดยเริ่มเข้าที่ช่องจมูก  แล้วเข้าสู่บริเวณโพรงจมูกซึ่งมีเยื่อบุผิวที่มีซิเลียและเมือกสำหรับดักจับสิ่งสกปรกไว้  อากาศจะเคลื่อนที่ต่อไปยังคอหอยลงสู่กล่องเสียง  ซึ่งภายในมี  สายเสียง (vocal cord)  จากนั้นอากาศจึงเข้าสู่หลอดลม  ปลายสุดของหลอดลมแยกออกเป็นขั้วปอดแยกไปสู่ปอดซ้ายและขวาทั้ง  2  ข้างซึ่งจะแตกแขนงเล็กลงเรื่อยๆ  เรียกว่า  หลอดลมฝอย (bronchiole)   ผนังของหลอดลมฝอยจะบางลงตามลำดับ   ปลายสุดของหลอดสมฝอยเป็นถุงขนาดเล็ก   และหลอดลมฝอยส่วนต้นประกอบด้วยกระดูกอ่อน   เพื่อป้องกันการแฟบจากแรงกดของเนื้อเยื่อบริเวณรอบๆ   

ภาพส่วนต่างๆของทางเดินหายใจ (ก.) ถุงลม (ข.)

              ผนังด้านในของหลอดลมบุด้วยเซลล์บุผิวที่มีซิเลียและเซลล์ซึ่งทำหน้าที่สร้างเมือกเพื่อคอยดักจับสิ่งสกปรกไม่ให้เข้าไปถึงถุงลม   เมื่ออากาศเข้าสู่ถุงลมซึ่งมีหลอดเลือดฝอยห่อหุ้มอยู่โดยรอบบริเวณนี้จะมีการแลกเปลี่ยนแก๊สเกิดขึ้นเป็นตำแหน่งแรก  โดยแก๊สออกซิเจนจากถุงลมจะแพร่เข้าสู่หลอดเลือดฝอย  และแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์จากหลอดเลือดฝอยจะแพร่เข้าสู่ถุงลม   

การแลกเปลี่ยนแก๊ส

              การแลกเปลี่ยนแก๊สในร่างกายของคนเกิดขึ้น 2 แห่ง  คือที่ปอดและที่เซลล์ของเนื้อเยื่อต่างๆ  ที่ปอดเป็นการแลกเปลี่ยนแก๊สระหว่างถุงลมกับหลอดเลือดฝอย  โดยแก๊สออกซิเจนจากถุงลมจะแพร่เข้าสู่หลอดเลือดฝอยรอบๆถุงลม  และจับกับฮีโมโกลบิน  (hemoglobin :  Hb)  ในเซลล์เม็ดเลือดแดงกลายเป็นออกซีฮีโมโกลบิน  (oxyhemoglobin  )  ซึ่งมีสีแดงสด  เลือดที่มีออกซีฮีโมโกลบินนี้จะถูกส่งเข้าสู่หัวใจและสูบฉีดไปยังเนื้อเยื่อส่วนต่างๆทั่วร่างกาย   ที่เนื้อเยื่อออกซีฮีโมโกลบินจะเปลี่ยนเป็นออกซิเจน  และฮีโมโกลบิน  แก๊สออกซิเจนจะแพร่เข้าสู่เซลล์ทำให้เซลล์ของเนื้อเยื่อได้รับแก๊สออกซิเจน ดังสมการ

              ขณะที่เซลล์ของเนื้อเยื่อรับแก๊สออกซิเจนนั้น  แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์  ที่เกิดขึ้นในเซลล์จะแพร่เข้าสู่หลอดเลือดฝอย  แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ส่วนใหญ่จะทำปฏิกิริยากับน้ำในเซลล์เม็ดเลือดแดง  เกิดเป็นกรดคาร์บอนิก  ซึ่งจะแตกตัวได้ไฮโดรเจนไอออนและไฮโดรเจนคาร์บอเนตไอออน  ซึ่งจะถูกลำเลียงออกสู่พลาสมาโดยวิธีการแพร่

การแลกเปลี่ยนแก๊สกับการลำเลียงแก๊ส

           เมื่อเลือดที่มีไฮโดรเจนคาร์บอเนตไอออน  และไฮโดรเจนไอออนมากไหลเข้าสู่หัวใจ  เลือดจะถูกสูบฉีดต่อไปยังหลอดเลือดฝอยรอบถุงลม  ไฮโดรเจนคาร์บอเนตไอออนและไฮโดรเจนไอออนจะรวมตัวกันเป็นกรดคาร์บอนิกแล้วจึงสลายตัวเป็นคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำในเซลล์เม็ดเลือดแดง  เป็นผลให้ความหนาแน่นของคาร์บอนไดออกไซด์ในหลอดเลือดฝอยสูงกว่าคาร์บอนไดออกไซด์ในถุงลม  จึงเกิดการแพร่ของคาร์บอนไดออกไซด์จากหลอดเลือดฝอยเข้าสู่ถุงลม ดังสมการ

             ไฮโดรเจนไอออนนี้ถ้ามีมากจะทำให้น้ำเลือดหรือพลาสมามีค่า pH  ต่ำ  คือมีความเป็นกรดสูง  นักเรียนทราบมาแล้วว่าโดยปกติเซลล์ในร่างกายจะทำงานได้ก็ต่อเมื่อ  มีค่า  pH  ใกล้กับ  7  หรือมีสภาวะค่อนข้างเป็นกลาง  เซลล์จึงพยายามรักษาสภาพความเป็นกรด - เบส ภายในเซลล์ให้คงที่  ถ้าแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ ในเลือดไม่สามารถลำเลียงไปสู่ปอดได้เพียงพอ  ปริมาณไฮโดรเจนในหลอดเลือดจะสูงขึ้นจะทำให้ค่า pH  ต่ำมาก  คือมีความเป็นกรดสูงขึ้นทำให้มีอันตรายต่อเซลล์ได้  แต่โดยทั่วไป  ไฮโดรเจนไอออนสามารถจะไปรวมกับสารอินทรีย์อื่นๆ  ในร่างกายได้อีกหลายชนิด  เป็นการควบคุมดุลยภาพของร่างกายอย่างหนึ่ง  คาร์บอนมอนอกไซด์ออกมาง่ายๆ  นักเรียนคิดว่าจะเกิดผลอย่างไรถ้าร่างกายได้รับคาร์บอนมานอกไซด์เป็นปริมาณมาก มีผู้ศึกษาความหนาแน่นของแก๊สออกซิเจนและแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศและในส่วนต่างๆของร่างกาย

 การควบคุมการหายใจ

              นักเรียนสามารถบังคับการหายใจของตนเองได้หรือไม่  บางครั้งนักเรียนอาจจะบังคับลมหายใจโดยการกลั้นหายใจ  หรือหายใจยางและลึกได้  แต่จะสามารถควบคุมได้ในระดับหนึ่งเท่านั้น  การหายใจจะสัมพันธ์กับการรักษาสภาวะสมดุลของร่างกาย  กลไกควบคุมการหายใจจะเกี่ยวข้องกับระบบประสาทโดยมีการควบคุม 2 ส่วนคือ

              1.  การควบคุมแบบอัตโนวัติ  ซึ่งเป็นการหายใจที่ไม่สามารถบังคับได้  โดยสมองส่วนพอนส์และเมดัลลาเป็นตัวสร้างและส่งสัญญาณประสาทไปกระตุ้นกล้ามเนื้อที่เกี่ยวข้องกับการหายใจ  ทำให้การหายใจเข้า-ออก  เกิดขึ้นได้อย่างเป็นจังหวะสม่ำเสมอทั้งในยามหลับและยามตื่น  โดยไม่จำเป็นต้องพะวงกับการสั่งการให้มีการหายใจ

              2.  การควบคุมภายใต้อำนาจจิตใจ  ซึ่งเป็นการหายใจที่สามารถบังคับได้  โดยสมองส่วนหน้าส่วนที่เรียกว่า  ซีรีบรัลคอร์เทกซ์ไฮโพทาลามัส  แลพสมองส่วนหลังส่วนที่เรียกว่า  ซีรีเบลลัม  ซึ่งจะทำให้เราสามารถควบคุม  บังคับ  หรือปรับการหายใจให้เหมาะสมกับพฤติกรรมต่างๆของร่างกาย  เช่น  การพูด  การร้องเพลง  การเล่นเครื่องดนตรีประเภทเป่า  การว่ายน้ำ  การดำน้ำ  หรือการกลั้นหายใจได้ 

การวัดอัตราการหายใจ

                 การหายใจเข้าและหายใจออกของคนเกี่ยวข้องกับ  เมแทบอลิซึมของร่างกาย  ซึ่งเป็นผลมาจากเมแทบอลิซึมของเซลล์ถ้าร่างกายมีอัตราการหายใจสูงแสดงว่าเซลล์ต่างๆ  ของร่างกายใช้พลังงานมาก  นั่นหมายถึงร่างกายมีอัตราเมแทบอลิซึมสูง  แต่การวัดอัตราเมแทบอลิซึมโดยตรงนั้นทำได้ยากจึงเปลี่ยนเป็นการวัดอัตราการใช้ออกซิเจนแทน  โดยถือว่าเซลล์หรือร่างกายที่มีอัตราเมแทบอลิซึมสูงจะมีอัตราการนำออกซิเจนเข้าสูงด้วย  นักเรียนสามารถวัดอัตราการใช้ออกซิเจน  

ที่มา : https://sites.google.com/site/bamzorigi/bth-thi-6-kar-raksa-dulyphaph-ni-rangkay/6-1-rabb-hayci-kab-kar-raksa-dulyphaph-khxng-rangkay