गैस विनिमय और श्वसन अंग
पशु श्वसन सतहों का निर्माण कैसे करते हैं — गलफड़े, फेफड़े, श्वासनली और त्वचा — जो पानी और हवा में जीवन को शक्ति देने के लिए पर्याप्त तेज़ी से ऑक्सीजन अंदर लेते हैं और कार्बन डाइऑक्साइड बाहर निकालते हैं।
Definition
गैस विनिमय एक जानवर और उसके पर्यावरण के बीच एक श्वसन सतह के माध्यम से ऑक्सीजन और कार्बन डाइऑक्साइड की गति है, और श्वसन अंग विशेष संरचनाएं हैं जो उस विसरण के लिए एक बड़ी, पतली, अच्छी तरह से हवादार और अच्छी तरह से परफ्यूज्ड सतह प्रदान करती हैं।
Scope
यह विषय जानवरों में गैस विनिमय के भौतिकी और डिज़ाइन को शामिल करता है: सतह क्षेत्र, मोटाई और ढाल पर विसरण की निर्भरता; श्वसन माध्यम का वेंटिलेशन; और मछली के गलफड़ों, कशेरुकी फेफड़ों, एकदिशीय पक्षी फेफड़े-वायु थैली प्रणाली, कीट श्वासनली और त्वचीय विनिमय की विपरीत वास्तुकला। यह बताता है कि पानी बनाम हवा के गुण श्वसन रणनीति और श्वास लेने की लागत को कैसे आकार देते हैं। कवरेज तुलनात्मक और यांत्रिक है।
Core questions
- श्वसन सतह पर गैस विनिमय की दर को कौन से भौतिक कारक निर्धारित करते हैं?
- मछली अपने कम ऑक्सीजन सामग्री और उच्च घनत्व के बावजूद पानी से ऑक्सीजन कैसे निकालती है?
- पक्षी का फेफड़ा एकतरफा वायु प्रवाह के लिए क्यों व्यवस्थित होता है, और इससे क्या लाभ होता है?
- कीट श्वसन वर्णक के बिना अपने ऊतकों को ऑक्सीजन कैसे प्रदान करते हैं?
Key theories
- फिंक का विसरित गैस विनिमय का सिद्धांत
- एक श्वसन सतह पर गैस हस्तांतरण की दर उसके क्षेत्र और आंशिक-दबाव ढाल के समानुपाती होती है और उसकी मोटाई के व्युत्क्रमानुपाती होती है, जो बताती है कि श्वसन अंग पतले, विस्तृत और अच्छी तरह से हवादार और परफ्यूज्ड क्यों होते हैं।
- प्रतिधारा और क्रॉसकरंट विनिमय डिजाइन
- मछली के गलफड़े पानी और रक्त को विपरीत दिशाओं में चलाते हैं और पक्षी के फेफड़े एक क्रॉसकरंट व्यवस्था का उपयोग करते हैं, ये दोनों विनिमय सतह के साथ अनुकूल ढाल बनाए रखते हैं और एक साधारण मिश्रित पूल की तुलना में अधिक ऑक्सीजन निकालते हैं।
Mechanisms
श्वसन सतहों को विसरण को अधिकतम करने के लिए पतला और बड़ा रखा जाता है, और माध्यम को वेंटिलेशन द्वारा उनके पार ले जाया जाता है जबकि रक्त को परफ्यूजन द्वारा उनके नीचे ले जाया जाता है। मछली रक्त प्रवाह के प्रतिधारा में गिल लैमेला पर पानी पंप करती है, जिससे ऑक्सीजन-रहित पानी से ऑक्सीजन का अवशोषण होता है। स्तनधारी फेफड़े ज्वारीय रूप से हवादार होते हैं, ताजी और अवशिष्ट हवा को मिलाते हैं, जबकि पक्षी वायु थैलियों का उपयोग करके कठोर पैराब्रोंची के माध्यम से हवा को एक तरफ धकेलते हैं, जिससे उच्च दक्षता प्राप्त होती है। कीट रक्त परिवहन को पूरी तरह से दरकिनार कर देते हैं, हवा को शाखाओं वाली श्वासनली के माध्यम से सीधे कोशिकाओं तक पहुंचाते हैं और स्पाइरकल के साथ विनिमय को नियंत्रित करते हैं। त्वचा उभयचरों और अन्य नम-चमड़ी वाले जानवरों में एक श्वसन सतह के रूप में कार्य करती है। क्योंकि पानी हवा की तुलना में बहुत कम ऑक्सीजन रखता है और इसे स्थानांतरित करना अधिक महंगा होता है, जलीय जानवर अपनी ऊर्जा का एक बड़ा हिस्सा वेंटिलेशन के लिए समर्पित करते हैं।
Clinical relevance
श्वसन अंग डिजाइन के तुलनात्मक अध्ययन कुशल गैस विनिमय के सिद्धांतों और बिगड़े हुए विसरण के परिणामों को स्पष्ट करते हैं, जो श्वसन कार्य और बायोमिमेटिक विनिमय उपकरणों पर शोध को सूचित करते हैं। यह प्रविष्टि शैक्षिक संदर्भ सामग्री है, न कि चिकित्सा मार्गदर्शन।
History
विसरण और गैस विनिमय पर क्रोग के मात्रात्मक कार्य ने उस ढांचे को स्थापित किया जिसका उपयोग बाद के शरीर विज्ञानियों ने गलफड़ों, फेफड़ों और श्वासनली की तुलना करने के लिए किया। पक्षी के क्रॉसकरंट फेफड़े और गलफड़ों में प्रतिधारा विनिमय के विस्तृत अध्ययनों ने स्पष्ट किया कि श्वसन वास्तुकला माध्यम के भौतिक गुणों से कैसे मेल खाती है।
Key figures
- August Krogh
- Knut Schmidt-Nielsen
- Johannes Piiper
- Pierre Scheid
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Frequently asked questions
- पानी में सांस लेना हवा में सांस लेने से ज्यादा महंगा क्यों है?
- पानी में हवा की तुलना में प्रति लीटर बहुत कम ऑक्सीजन होती है और यह कहीं अधिक सघन और चिपचिपा होता है, इसलिए जलीय जानवरों को समान ऑक्सीजन प्राप्त करने के लिए भारी माध्यम की बड़ी मात्रा को स्थानांतरित करना पड़ता है, जिससे वेंटिलेशन पर अधिक ऊर्जा खर्च होती है।
- कीट हीमोग्लोबिन के बिना कैसे जीवित रह सकते हैं?
- उनकी श्वासनली प्रणाली हवा को सीधे ऊतकों तक पहुंचाती है, इसलिए ऑक्सीजन कोशिकाओं तक नलिकाओं के माध्यम से विसरण द्वारा पहुंचती है न कि रक्त वर्णक द्वारा ले जाने से।