Sirkulasi dan Respirasi
Bagaimana hewan memperoleh oksigen dan membuang karbon dioksida, serta bagaimana pompa dan pembuluh mendistribusikan zat-zat ini dan zat lainnya ke seluruh tubuh untuk memenuhi kebutuhan metabolisme.
Definition
Respirasi dalam pengertian fisiologis ini adalah pertukaran oksigen dan karbon dioksida antara hewan dan lingkungannya serta transportasinya ke dan dari jaringan; sirkulasi adalah pergerakan massal darah atau hemolimfa oleh sistem pompa dan pembuluh yang mendistribusikan gas, nutrisi, limbah, hormon, dan panas ke seluruh tubuh.
Scope
Area ini mencakup fisiologi komparatif pertukaran gas dan transportasi internal: permukaan pernapasan seperti insang, paru-paru, dan trakea; pengikatan dan pengangkutan oksigen oleh pigmen pernapasan; struktur dan fungsi jantung dan sistem peredaran darah; serta regulasi pernapasan dan gas darah termasuk keseimbangan asam-basa. Ini mencakup prinsip-prinsip fisik difusi dan konveksi serta keragaman solusi yang telah dikembangkan hewan di seluruh kehidupan akuatik, udara, dan terestrial. Cakupannya bersifat komparatif dan mekanistik, bukan klinis.
Sub-topics
Core questions
- Bagaimana permukaan pernapasan memaksimalkan pertukaran gas di berbagai media seperti air dan udara?
- Bagaimana pigmen pernapasan memuat oksigen di tempat yang melimpah dan melepaskannya di tempat yang dibutuhkan?
- Bagaimana sistem peredaran darah dan jantung diatur untuk memindahkan darah secara efisien pada hewan dengan ukuran dan gaya hidup yang berbeda?
- Bagaimana hewan merasakan dan mengatur gas darahnya serta menjaga keseimbangan asam-basa?
Key theories
- Pengikatan oksigen kooperatif dan kurva disosiasi sigmoid
- Pigmen pernapasan seperti hemoglobin mengikat oksigen secara kooperatif, menghasilkan kurva disosiasi sigmoid yang mendorong pemuatan efisien di permukaan pernapasan dan pelepasan di jaringan aktif, dengan posisi kurva digeser oleh karbon dioksida, pH, dan suhu.
- Desain konveksi–difusi transportasi gas
- Pertukaran gas yang efektif menggabungkan pengiriman medium dan darah secara konvektif ke dan dari permukaan pernapasan yang tipis dengan difusi melaluinya, dan pengaturan seperti aliran berlawanan arah (countercurrent flow) di insang memaksimalkan gradien yang mendorong difusi.
Mechanisms
Pertukaran gas bergantung pada difusi melintasi permukaan pernapasan yang tipis dan luas, yang terus-menerus disuplai oleh ventilasi medium eksternal dan perfusi darah. Insang menggunakan aliran berlawanan arah (countercurrent flow) air dan darah untuk menjaga gradien difusi tetap tinggi; paru-paru menggunakan aliran pasang surut (tidal) atau, pada burung, aliran searah; serangga mengalirkan oksigen langsung ke jaringan melalui trakea. Oksigen sebagian besar dibawa terikat pada pigmen pernapasan yang pengikatan kooperatifnya dan sensitivitasnya terhadap CO2, pH, dan suhu menyetel pemuatan dan pelepasan. Jantung menghasilkan tekanan untuk mendorong darah melalui sistem peredaran darah terbuka atau tertutup, dan resistensi vaskular serta kapasitansi mendistribusikan aliran. Pernapasan dan sirkulasi diatur oleh kemoreseptor yang memantau O2, CO2, dan pH, menyesuaikan ventilasi dan curah jantung, sementara penyangga dan pertukaran ion menjaga keseimbangan asam-basa.
Clinical relevance
Studi komparatif pada mamalia penyelam, spesies dataran tinggi, dan ikan bernapas udara menerangi batas kinerja kardiorespirasi manusia dan menginformasikan penelitian tentang hipoksia, olahraga, serta fungsi pernapasan dan kardiovaskular. Entri ini bersifat edukatif dan tidak memberikan panduan medis.
History
Studi August Krogh tentang fungsi kapiler dan pertukaran gas serta penemuan Christian Bohr tentang efek karbon dioksida pada pengikatan oksigen meletakkan dasar fisiologi pernapasan. Schmidt-Nielsen dan lainnya memperluas bidang ini ke adaptasi luar biasa hewan gurun, penyelam, dan dataran tinggi, membingkai sirkulasi dan respirasi sebagai masalah desain di bawah kendala fisik.
Key figures
- August Krogh
- Knut Schmidt-Nielsen
- Christian Bohr
- John B. West
Related topics
Seminal works
- schmidtnielsen1997
- hill2016
- westsd2012
Frequently asked questions
- Mengapa aliran berlawanan arah (countercurrent flow) penting pada insang ikan?
- Mengalirkan air dan darah dalam arah yang berlawanan menjaga gradien oksigen di sepanjang seluruh permukaan insang, sehingga darah dapat menyerap lebih banyak oksigen daripada jika keduanya mengalir bersamaan.
- Apa yang membuat kurva disosiasi oksigen berbentuk S?
- Hemoglobin mengikat oksigen secara kooperatif, sehingga pengikatan satu oksigen membuat pengikatan berikutnya lebih mudah; ini menghasilkan kurva sigmoid yang mendukung pemuatan penuh di paru-paru atau insang dan pelepasan yang mudah di jaringan aktif.