تبادل گاز و اندامهای تنفسی
چگونه حیوانات سطوح تنفسی — آبششها، ششها، نایها و پوست — را میسازند که به اندازه کافی سریع اکسیژن را وارد و دیاکسید کربن را خارج میکنند تا انرژی لازم برای حیات در آب و هوا را تأمین کنند.
Definition
تبادل گاز حرکت اکسیژن و دیاکسید کربن بین یک حیوان و محیط آن از طریق یک سطح تنفسی است، و اندامهای تنفسی ساختارهای تخصصی هستند که یک سطح بزرگ، نازک، با تهویه و خونرسانی خوب را برای این انتشار فراهم میکنند.
Scope
این موضوع فیزیک و طراحی تبادل گاز در حیوانات را پوشش میدهد: وابستگی انتشار به مساحت سطح، ضخامت و گرادیان؛ تهویه محیط تنفسی؛ و معماریهای متضاد آبششهای ماهی، ششهای مهرهداران، سیستم یکطرفه شش-کیسه هوایی پرندگان، نایهای حشرات، و تبادل پوستی. این موضوع به چگونگی تأثیر خواص آب در مقابل هوا بر استراتژی تنفسی و هزینههای تنفس میپردازد. پوشش مطالب مقایسهای و مکانیکی است.
Core questions
- چه عوامل فیزیکی سرعت تبادل گاز را در یک سطح تنفسی تعیین میکنند؟
- آبششها چگونه با وجود محتوای اکسیژن کم و چگالی بالای آب، اکسیژن را از آن استخراج میکنند؟
- چرا شش پرنده برای جریان هوای یکطرفه طراحی شده است و این چه مزیتی دارد؟
- حشرات چگونه بدون رنگدانه تنفسی اکسیژن را به بافتهای خود میرسانند؟
Key theories
- اصل فیک در تبادل گازی انتشاری
- نرخ انتقال گاز در یک سطح تنفسی متناسب با مساحت آن و گرادیان فشار جزئی و نسبت معکوس با ضخامت آن است، که توضیح میدهد چرا اندامهای تنفسی نازک، گسترده، و دارای تهویه و خونرسانی خوب هستند.
- طراحیهای تبادل جریان متقابل و جریان عرضی
- آبششهای ماهی آب و خون را در جهتهای مخالف به حرکت در میآورند و ششهای پرندگان از آرایش جریان عرضی استفاده میکنند، که هر دو گرادیانهای مطلوب را در طول سطح تبادل حفظ میکنند و اکسیژن بیشتری را نسبت به آنچه یک حوضچه مخلوط ساده اجازه میدهد، استخراج میکنند.
Mechanisms
سطوح تنفسی نازک و بزرگ نگه داشته میشوند تا انتشار را به حداکثر برسانند، و محیط توسط تهویه از روی آنها حرکت داده میشود در حالی که خون توسط خونرسانی در زیر آنها حرکت میکند. ماهیها آب را بر روی تیغههای آبششی در یک جریان متقابل با جریان خون پمپ میکنند و جذب اکسیژن را از آب کماکسیژن حفظ میکنند. ششهای پستانداران به صورت جزر و مدی تهویه میشوند و هوای تازه و باقیمانده را مخلوط میکنند، در حالی که پرندگان هوا را به صورت یکطرفه از طریق پارابرونشهای صلب با استفاده از کیسههای هوایی به حرکت در میآورند و به کارایی بالایی دست مییابند. حشرات انتقال خون را به طور کامل دور میزنند و هوا را از طریق نایهای منشعب مستقیماً به سلولها هدایت میکنند و تبادل را با روزنههای تنفسی تنظیم میکنند. پوست به عنوان یک سطح تنفسی در دوزیستان و سایر حیوانات با پوست مرطوب عمل میکند. از آنجا که آب اکسیژن بسیار کمتری نسبت به هوا دارد و حرکت دادن آن پرهزینهتر است، حیوانات آبزی بخش بزرگتری از انرژی خود را به تهویه اختصاص میدهند.
Clinical relevance
مطالعات مقایسهای طراحی اندامهای تنفسی اصول تبادل کارآمد گاز و پیامدهای اختلال در انتشار را روشن میکند و به تحقیقات در مورد عملکرد تنفسی و دستگاههای تبادل زیستتقلیدی کمک میکند. این مدخل یک منبع آموزشی است، نه راهنمایی پزشکی.
History
کار کمی کروک در مورد انتشار و تبادل گاز چارچوبی را ایجاد کرد که فیزیولوژیستهای بعدی برای مقایسه آبششها، ششها و نایها از آن استفاده کردند. مطالعات دقیق شش متقاطع پرندگان و تبادل جریان متقابل در آبششها چگونگی تطابق معماری تنفسی با خواص فیزیکی محیط را روشن کرد.
Key figures
- August Krogh
- Knut Schmidt-Nielsen
- Johannes Piiper
- Pierre Scheid
Related topics
Seminal works
- schmidtnielsen1997
- hill2016
- randall2002
Frequently asked questions
- چرا تنفس در آب پرهزینهتر از تنفس در هوا است؟
- آب اکسیژن بسیار کمتری در هر لیتر نسبت به هوا حمل میکند و بسیار چگالتر و چسبناکتر است، بنابراین حیوانات آبزی باید حجم زیادی از یک محیط سنگین را برای به دست آوردن همان مقدار اکسیژن حرکت دهند و انرژی بیشتری را صرف تهویه کنند.
- حشرات چگونه میتوانند بدون هموگلوبین زنده بمانند؟
- سیستم نای آنها هوا را مستقیماً به بافتها میرساند، بنابراین اکسیژن از طریق انتشار در لولهها به سلولها میرسد به جای اینکه توسط یک رنگدانه خونی حمل شود.