الدورة الدموية والتنفس
كيف تحصل الحيوانات على الأكسجين وتتخلص من ثاني أكسيد الكربون، وكيف تقوم المضخات والأوعية بتوزيع هذه المواد وغيرها في جميع أنحاء الجسم لتلبية الطلب الأيضي.
Definition
التنفس بهذا المعنى الفسيولوجي هو تبادل الأكسجين وثاني أكسيد الكربون بين الحيوان وبيئته ونقلهما من وإلى الأنسجة؛ أما الدورة الدموية فهي الحركة الكتلية للدم أو اللمف الدموي بواسطة نظام ضخ وأوعية يوزع الغازات والمغذيات والفضلات والهرمونات والحرارة في جميع أنحاء الجسم.
Scope
يغطي هذا المجال الفسيولوجيا المقارنة لتبادل الغازات والنقل الداخلي: الأسطح التنفسية مثل الخياشيم والرئات والقصبات الهوائية؛ ارتباط الأكسجين وحمله بواسطة صبغات الجهاز التنفسي؛ بنية ووظيفة القلوب وأنظمة الدورة الدموية؛ وتنظيم التنفس وغازات الدم بما في ذلك توازن الحمض والقاعدة. ويشمل المبادئ الفيزيائية للانتشار والحمل الحراري وتنوع الحلول التي طورتها الحيوانات عبر الحياة المائية والجوية والبرية. التغطية مقارنة وميكانيكية وليست سريرية.
Sub-topics
Core questions
- كيف تزيد الأسطح التنفسية من تبادل الغازات عبر أوساط مختلفة مثل الماء والهواء؟
- كيف تقوم صبغات الجهاز التنفسي بتحميل الأكسجين حيث يتوفر بكثرة وتطلقه حيث تكون هناك حاجة إليه؟
- كيف يتم تنظيم أنظمة الدورة الدموية والقلوب لتحريك الدم بكفاءة في الحيوانات ذات الأحجام وأنماط الحياة المختلفة؟
- كيف تستشعر الحيوانات وتنظم غازات الدم لديها وتحافظ على توازن الحمض والقاعدة؟
Key theories
- الارتباط التعاوني للأكسجين ومنحنى التفكك السيني
- ترتبط صبغات الجهاز التنفسي مثل الهيموغلوبين بالأكسجين بشكل تعاوني، مما يعطي منحنى تفكك سيني يعزز التحميل الفعال عند السطح التنفسي والتفريغ في الأنسجة النشطة، مع تحول موقع المنحنى بتأثير ثاني أكسيد الكربون ودرجة الحموضة ودرجة الحرارة.
- تصميم الحمل الحراري-الانتشار لنقل الغازات
- يجمع تبادل الغازات الفعال بين التوصيل بالحمل الحراري للوسط والدم من وإلى سطح تنفسي رقيق مع الانتشار عبره، وتعمل الترتيبات مثل التدفق العكسي في الخياشيم على زيادة التدرجات التي تدفع الانتشار.
Mechanisms
يعتمد تبادل الغازات على الانتشار عبر أسطح تنفسية رقيقة وواسعة المساحة يتم إمدادها بالتهوية من الوسط الخارجي وتروية الدم. تستخدم الخياشيم تدفقًا عكسيًا للماء والدم للحفاظ على تدرجات انتشار عالية؛ وتستخدم الرئات تدفقًا مدّيًا أو، في الطيور، تدفقًا أحادي الاتجاه؛ وتوصل الحشرات الأكسجين مباشرة إلى الأنسجة عبر القصبات الهوائية. يُحمل الأكسجين بشكل رئيسي مرتبطًا بصبغات الجهاز التنفسي التي تضبط ارتباطها التعاوني وحساسيتها لثاني أكسيد الكربون ودرجة الحموضة ودرجة الحرارة التحميل والتفريغ. تولد القلوب ضغطًا لدفع الدم عبر أنظمة الدورة الدموية المفتوحة أو المغلقة، وتوزع المقاومة الوعائية والسعة التدفق. يتم تنظيم التنفس والدورة الدموية بواسطة مستقبلات كيميائية تراقب الأكسجين وثاني أكسيد الكربون ودرجة الحموضة، وتعدل التهوية والنتاج القلبي، بينما يحافظ التخزين المؤقت وتبادل الأيونات على توازن الحمض والقاعدة.
Clinical relevance
تُلقي الأعمال المقارنة على الثدييات الغواصة، والأنواع التي تعيش على ارتفاعات عالية، والأسماك التي تتنفس الهواء، الضوء على حدود الأداء القلبي التنفسي البشري وتُثري الأبحاث حول نقص الأكسجة، والتمارين الرياضية، والوظيفة التنفسية والقلبية الوعائية. هذا المدخل تعليمي ولا يقدم إرشادات طبية.
History
أرست دراسات أوغست كروغ حول وظيفة الشعيرات الدموية وتبادل الغازات، واكتشاف كريستيان بور لتأثير ثاني أكسيد الكربون على ارتباط الأكسجين، أسس فسيولوجيا الجهاز التنفسي. وقد وسّع شميدت-نيلسن وآخرون هذا المجال ليشمل التكيفات المذهلة للحيوانات الصحراوية والغواصة وتلك التي تعيش على ارتفاعات عالية، مؤطرين الدورة الدموية والتنفس كمشكلات تصميم تحت قيود فيزيائية.
Key figures
- August Krogh
- Knut Schmidt-Nielsen
- Christian Bohr
- John B. West
Related topics
Seminal works
- schmidtnielsen1997
- hill2016
- westsd2012
Frequently asked questions
- لماذا يعتبر التدفق العكسي مهمًا في خياشيم الأسماك؟
- يؤدي جريان الماء والدم في اتجاهين متعاكسين إلى الحفاظ على تدرج الأكسجين على طول سطح الخيشوم بأكمله، بحيث يمكن للدم أن يمتص كمية أكبر بكثير من الأكسجين مما لو تدفق الاثنان معًا.
- ما الذي يجعل منحنى تفكك الأكسجين على شكل حرف S؟
- يرتبط الهيموغلوبين بالأكسجين بشكل تعاوني، لذا فإن ارتباط أكسجين واحد يسهل ارتباط التالي؛ وهذا ينتج منحنى سينيًا يفضل التحميل الكامل في الرئتين أو الخياشيم والتفريغ السهل في الأنسجة النشطة.