การแลกเปลี่ยนแก๊สและอวัยวะระบบทางเดินหายใจ

สัตว์สร้างพื้นผิวทางเดินหายใจ — เหงือก ปอด ท่อลม และผิวหนัง — ที่ช่วยให้ออกซิเจนเข้าและคาร์บอนไดออกไซด์ออกได้เร็วพอที่จะขับเคลื่อนชีวิตทั้งในน้ำและในอากาศได้อย่างไร

Definition

การแลกเปลี่ยนแก๊สคือการเคลื่อนที่ของออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ระหว่างสัตว์กับสิ่งแวดล้อมผ่านพื้นผิวทางเดินหายใจ และอวัยวะระบบทางเดินหายใจคือโครงสร้างพิเศษที่ให้พื้นผิวขนาดใหญ่ บาง มีการระบายอากาศที่ดี และมีการไหลเวียนโลหิตที่ดีสำหรับการแพร่กระจายนั้น

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมฟิสิกส์และการออกแบบการแลกเปลี่ยนแก๊สในสัตว์: การพึ่งพาการแพร่ของพื้นที่ผิว ความหนา และความชัน; การระบายอากาศของตัวกลางทางเดินหายใจ; และโครงสร้างที่แตกต่างกันของเหงือกปลา ปอดของสัตว์มีกระดูกสันหลัง ระบบปอด-ถุงลมแบบไหลทางเดียวของนก ท่อลมของแมลง และการแลกเปลี่ยนทางผิวหนัง โดยกล่าวถึงคุณสมบัติของน้ำเทียบกับอากาศที่กำหนดกลยุทธ์การหายใจและต้นทุนของการหายใจ การครอบคลุมเป็นแบบเปรียบเทียบและเชิงกลไก

Core questions

• ปัจจัยทางกายภาพใดบ้างที่กำหนดอัตราการแลกเปลี่ยนแก๊สผ่านพื้นผิวทางเดินหายใจ?
• เหงือกสกัดออกซิเจนจากน้ำได้อย่างไร แม้ว่าน้ำจะมีปริมาณออกซิเจนต่ำและความหนาแน่นสูง?
• เหตุใดปอดของนกจึงถูกจัดเรียงให้มีการไหลของอากาศทางเดียว และข้อดีที่ได้รับคืออะไร?
• แมลงส่งออกซิเจนไปยังเนื้อเยื่อได้อย่างไรโดยไม่มีเม็ดสีระบบทางเดินหายใจ?

Key theories

หลักการของฟิกก์ว่าด้วยการแลกเปลี่ยนแก๊สแบบแพร่

อัตราการถ่ายโอนแก๊สผ่านพื้นผิวทางเดินหายใจเป็นสัดส่วนกับพื้นที่และความชันของความดันย่อย และเป็นสัดส่วนผกผันกับความหนา ซึ่งอธิบายว่าเหตุใดอวัยวะระบบทางเดินหายใจจึงบาง กว้างขวาง มีการระบายอากาศและการไหลเวียนโลหิตที่ดี

การออกแบบการแลกเปลี่ยนแบบไหลสวนทางและไหลข้าม

เหงือกปลาจะให้น้ำและเลือดไหลไปในทิศทางตรงกันข้าม และปอดนกใช้การจัดเรียงแบบไหลข้าม ซึ่งทั้งสองอย่างนี้ช่วยรักษาระดับความชันที่เหมาะสมตลอดพื้นผิวการแลกเปลี่ยนและสกัดออกซิเจนได้มากกว่าที่สระผสมธรรมดาจะทำได้

Mechanisms

พื้นผิวทางเดินหายใจจะถูกรักษาให้บางและมีขนาดใหญ่เพื่อเพิ่มการแพร่กระจายให้สูงสุด และตัวกลางจะถูกเคลื่อนที่ผ่านพื้นผิวเหล่านั้นด้วยการระบายอากาศ ในขณะที่เลือดจะถูกเคลื่อนที่ใต้พื้นผิวเหล่านั้นด้วยการไหลเวียนโลหิต ปลาจะสูบน้ำผ่านแผ่นเหงือกในทิศทางตรงกันข้ามกับการไหลของเลือด เพื่อรักษาระดับการรับออกซิเจนจากน้ำที่มีออกซิเจนน้อย ปอดของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมจะระบายอากาศแบบขึ้นลง ทำให้เกิดการผสมของอากาศบริสุทธิ์และอากาศที่เหลืออยู่ ในขณะที่นกจะขับอากาศไปในทิศทางเดียวผ่านหลอดลมแข็งโดยใช้ถุงลม ทำให้มีประสิทธิภาพสูง แมลงจะข้ามการขนส่งเลือดโดยสิ้นเชิง โดยนำอากาศผ่านท่อลมที่แตกแขนงโดยตรงไปยังเซลล์ และควบคุมการแลกเปลี่ยนด้วยรูหายใจ ผิวหนังทำหน้าที่เป็นพื้นผิวทางเดินหายใจในสัตว์ครึ่งบกครึ่งน้ำและสัตว์อื่นๆ ที่มีผิวหนังชื้น เนื่องจากน้ำมีออกซิเจนน้อยกว่าอากาศมากและมีค่าใช้จ่ายในการเคลื่อนที่สูงกว่า สัตว์น้ำจึงใช้พลังงานส่วนใหญ่ไปกับการระบายอากาศ

Clinical relevance

การศึกษาเปรียบเทียบการออกแบบอวัยวะระบบทางเดินหายใจช่วยชี้แจงหลักการของการแลกเปลี่ยนแก๊สที่มีประสิทธิภาพและผลที่ตามมาของการแพร่ที่บกพร่อง ซึ่งเป็นข้อมูลสำหรับการวิจัยเกี่ยวกับการทำงานของระบบทางเดินหายใจและอุปกรณ์แลกเปลี่ยนที่เลียนแบบชีวภาพ ข้อมูลนี้เป็นเอกสารอ้างอิงเพื่อการศึกษา ไม่ใช่คำแนะนำทางการแพทย์

History

งานเชิงปริมาณของ Krogh เกี่ยวกับการแพร่และการแลกเปลี่ยนแก๊สได้วางกรอบที่นักสรีรวิทยาในภายหลังใช้ในการเปรียบเทียบเหงือก ปอด และท่อลม การศึกษาโดยละเอียดเกี่ยวกับปอดแบบไหลสวนทางของนกและการแลกเปลี่ยนแบบไหลสวนทางในเหงือกได้ชี้แจงว่าสถาปัตยกรรมระบบทางเดินหายใจเข้ากันกับคุณสมบัติทางกายภาพของตัวกลางได้อย่างไร

Key figures

• August Krogh
• Knut Schmidt-Nielsen
• Johannes Piiper
• Pierre Scheid

Seminal works

• schmidtnielsen1997
• hill2016
• randall2002

Frequently asked questions

เหตุใดการหายใจในน้ำจึงมีค่าใช้จ่ายสูงกว่าการหายใจในอากาศ?

น้ำมีออกซิเจนต่อลิตรน้อยกว่าอากาศมาก และมีความหนาแน่นและความหนืดสูงกว่ามาก ดังนั้นสัตว์น้ำจึงต้องเคลื่อนย้ายตัวกลางที่มีน้ำหนักมากในปริมาณมากเพื่อให้ออกซิเจนเท่ากัน ซึ่งทำให้ใช้พลังงานในการระบายอากาศมากขึ้น

แมลงสามารถอยู่รอดได้อย่างไรโดยไม่มีฮีโมโกลบิน?

ระบบท่อลมของพวกมันจะนำอากาศไปยังเนื้อเยื่อโดยตรง ดังนั้นออกซิเจนจึงไปถึงเซลล์โดยการแพร่ผ่านท่อแทนที่จะถูกขนส่งโดยเม็ดสีในเลือด