การไหลเวียนและการหายใจ
สัตว์ได้รับออกซิเจนและกำจัดคาร์บอนไดออกไซด์อย่างไร และปั๊มและหลอดเลือดกระจายสารเหล่านี้และสารอื่น ๆ ทั่วร่างกายเพื่อตอบสนองความต้องการทางเมแทบอลิซึมได้อย่างไร
Definition
การหายใจในความหมายทางสรีรวิทยานี้คือการแลกเปลี่ยนออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ระหว่างสัตว์กับสิ่งแวดล้อมและการขนส่งไปยังและจากเนื้อเยื่อ; การไหลเวียนคือการเคลื่อนที่ของเลือดหรือฮีโมลิมฟ์จำนวนมากโดยระบบปั๊มและหลอดเลือดที่กระจายก๊าซ สารอาหาร ของเสีย ฮอร์โมน และความร้อนทั่วร่างกาย
Scope
สาขานี้ครอบคลุมสรีรวิทยาเปรียบเทียบของการแลกเปลี่ยนก๊าซและการขนส่งภายใน: พื้นผิวทางเดินหายใจ เช่น เหงือก ปอด และท่อลม; การจับและการขนส่งออกซิเจนโดยเม็ดสีทางเดินหายใจ; โครงสร้างและการทำงานของหัวใจและระบบไหลเวียนโลหิต; และการควบคุมการหายใจและก๊าซในเลือด รวมถึงสมดุลกรด-ด่าง ครอบคลุมหลักการทางกายภาพของการแพร่และการพา และความหลากหลายของวิธีการที่สัตว์ได้พัฒนาขึ้นในชีวิตในน้ำ ในอากาศ และบนบก การครอบคลุมเป็นแบบเปรียบเทียบและเชิงกลไกมากกว่าเชิงคลินิก
Sub-topics
Core questions
- พื้นผิวทางเดินหายใจเพิ่มการแลกเปลี่ยนก๊าซสูงสุดได้อย่างไรในตัวกลางที่แตกต่างกัน เช่น น้ำและอากาศ?
- เม็ดสีทางเดินหายใจจับออกซิเจนได้อย่างไรในที่ที่มีมากและปล่อยออกซิเจนในที่ที่ต้องการ?
- ระบบไหลเวียนโลหิตและหัวใจถูกจัดระเบียบอย่างไรเพื่อเคลื่อนย้ายเลือดอย่างมีประสิทธิภาพในสัตว์ที่มีขนาดและวิถีชีวิตที่แตกต่างกัน?
- สัตว์รับรู้และควบคุมก๊าซในเลือดและรักษาสมดุลกรด-ด่างได้อย่างไร?
Key theories
- การจับออกซิเจนแบบร่วมกันและเส้นโค้งการแตกตัวแบบซิกมอยด์
- เม็ดสีทางเดินหายใจ เช่น เฮโมโกลบิน จับออกซิเจนแบบร่วมกัน ทำให้เกิดเส้นโค้งการแตกตัวแบบซิกมอยด์ที่ส่งเสริมการจับออกซิเจนอย่างมีประสิทธิภาพที่พื้นผิวทางเดินหายใจและการปล่อยออกซิเจนในเนื้อเยื่อที่ทำงาน โดยตำแหน่งของเส้นโค้งจะเปลี่ยนไปตามคาร์บอนไดออกไซด์, pH และอุณหภูมิ
- การออกแบบการขนส่งก๊าซแบบการพา-การแพร่
- การแลกเปลี่ยนก๊าซที่มีประสิทธิภาพเป็นการรวมกันของการส่งตัวกลางและเลือดแบบการพาไปยังและจากพื้นผิวทางเดินหายใจที่บางกับการแพร่ผ่านพื้นผิวนั้น และการจัดเรียงเช่นการไหลแบบสวนทางในเหงือกจะเพิ่มความชันที่ขับเคลื่อนการแพร่ให้สูงสุด
Mechanisms
การแลกเปลี่ยนก๊าซขึ้นอยู่กับการแพร่ผ่านพื้นผิวทางเดินหายใจที่บางและมีพื้นที่ขนาดใหญ่ ซึ่งได้รับการหล่อเลี้ยงด้วยการระบายอากาศของตัวกลางภายนอกและการไหลเวียนของเลือด เหงือกใช้การไหลแบบสวนทางของน้ำและเลือดเพื่อรักษาระดับความชันของการแพร่ให้สูง; ปอดใช้การไหลแบบขึ้นลง หรือในนก ใช้การไหลแบบทิศทางเดียว; แมลงส่งออกซิเจนโดยตรงไปยังเนื้อเยื่อผ่านท่อลม ออกซิเจนถูกขนส่งเป็นหลักโดยจับกับเม็ดสีทางเดินหายใจ ซึ่งการจับแบบร่วมกันและความไวต่อ CO2, pH และอุณหภูมิจะปรับการจับและการปล่อย หัวใจสร้างแรงดันเพื่อขับเคลื่อนเลือดผ่านระบบไหลเวียนโลหิตแบบเปิดหรือปิด และความต้านทานและความจุของหลอดเลือดจะกระจายการไหล การหายใจและการไหลเวียนถูกควบคุมโดยเคมีรีเซพเตอร์ที่ตรวจสอบ O2, CO2 และ pH โดยปรับการระบายอากาศและปริมาณเลือดที่ออกจากหัวใจ ในขณะที่การบัฟเฟอร์และการแลกเปลี่ยนไอออนจะรักษาสมดุลกรด-ด่าง
Clinical relevance
งานวิจัยเปรียบเทียบเกี่ยวกับสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมที่ดำน้ำลึก สัตว์ที่อาศัยอยู่ในที่สูง และปลาที่หายใจด้วยอากาศ ช่วยให้เข้าใจขีดจำกัดของประสิทธิภาพการทำงานของระบบหัวใจและหลอดเลือดของมนุษย์ และเป็นข้อมูลสำหรับการวิจัยเกี่ยวกับภาวะขาดออกซิเจน การออกกำลังกาย และการทำงานของระบบทางเดินหายใจและหลอดเลือด บทความนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อการศึกษาและไม่ได้ให้คำแนะนำทางการแพทย์
History
การศึกษาของ August Krogh เกี่ยวกับการทำงานของเส้นเลือดฝอยและการแลกเปลี่ยนก๊าซ และการค้นพบของ Christian Bohr เกี่ยวกับผลกระทบของคาร์บอนไดออกไซด์ต่อการจับออกซิเจน ได้วางรากฐานของสรีรวิทยาการหายใจ Schmidt-Nielsen และคณะได้ขยายสาขาวิชานี้ไปยังการปรับตัวที่น่าทึ่งของสัตว์ทะเลทราย สัตว์ที่ดำน้ำ และสัตว์ที่อาศัยอยู่ในที่สูง โดยมองว่าการไหลเวียนและการหายใจเป็นปัญหาของการออกแบบภายใต้ข้อจำกัดทางกายภาพ
Key figures
- August Krogh
- Knut Schmidt-Nielsen
- Christian Bohr
- John B. West
Related topics
Seminal works
- schmidtnielsen1997
- hill2016
- westsd2012
Frequently asked questions
- เหตุใดการไหลแบบสวนทางจึงมีความสำคัญในเหงือกปลา?
- การไหลของน้ำและเลือดในทิศทางตรงกันข้ามจะรักษาระดับความชันของออกซิเจนตลอดพื้นผิวเหงือกทั้งหมด ทำให้เลือดสามารถรับออกซิเจนได้มากกว่ามากเมื่อเทียบกับการไหลไปในทิศทางเดียวกัน
- อะไรทำให้เส้นโค้งการแตกตัวของออกซิเจนมีรูปร่างเป็นตัว S?
- เฮโมโกลบินจับออกซิเจนแบบร่วมกัน ดังนั้นการจับออกซิเจนหนึ่งโมเลกุลจะทำให้การจับโมเลกุลถัดไปง่ายขึ้น ซึ่งทำให้เกิดเส้นโค้งแบบซิกมอยด์ที่เอื้อต่อการจับออกซิเจนอย่างเต็มที่ที่ปอดหรือเหงือก และการปล่อยออกซิเจนอย่างรวดเร็วในเนื้อเยื่อที่ทำงาน