การควบคุมก๊าซทางการหายใจและสมดุลกรด–ด่าง

สัตว์รับรู้และรักษาระดับออกซิเจน คาร์บอนไดออกไซด์ และ pH ในของเหลวในร่างกายได้อย่างไร โดยปรับการระบายอากาศและการแลกเปลี่ยนไอออนเพื่อรักษาสมดุลทางเคมีภายในให้อยู่ในขอบเขตที่จำกัด

Definition

การควบคุมก๊าซทางการหายใจคือการควบคุมภาวะธำรงดุลของความดันย่อยของออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ในของเหลวในร่างกายผ่านการปรับการระบายอากาศและการไหลเวียนเลือด และสมดุลกรด–ด่างคือการรักษาระดับ pH ของของเหลวในร่างกายให้อยู่ในขอบเขตที่แคบโดยการบัฟเฟอร์และการควบคุมคาร์บอนไดออกไซด์และไบคาร์บอเนตโดยระบบทางเดินหายใจและระบบขับถ่าย

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงการควบคุมก๊าซในเลือดและสถานะกรด–ด่าง: ตัวรับเคมี (chemoreceptors) ที่ตรวจสอบออกซิเจน คาร์บอนไดออกไซด์ และ pH; การควบคุมการระบายอากาศแบบรีเฟล็กซ์ และในสัตว์ที่หายใจด้วยน้ำ การทำงานของเหงือก; ระบบบัฟเฟอร์ไบคาร์บอเนตและการอธิบาย; และการชดเชยความผิดปกติของกรด–ด่างโดยกลไกการหายใจและไตหรือเหงือก นอกจากนี้ยังกล่าวถึงความแตกต่างของการควบคุมเหล่านี้ระหว่างสัตว์ที่หายใจด้วยอากาศและสัตว์ที่หายใจด้วยน้ำ เนื้อหาเป็นการเปรียบเทียบและกลไกมากกว่าเชิงคลินิก

Core questions

• สัตว์รับรู้ออกซิเจน คาร์บอนไดออกไซด์ และ pH ในของเหลวในร่างกายได้อย่างไร?
• การระบายอากาศถูกปรับอย่างไรเพื่อรักษาก๊าซในเลือดให้อยู่ในขอบเขตที่จำกัด?
• เหตุใดคาร์บอนไดออกไซด์จึงมีความสำคัญต่อสมดุลกรด–ด่าง?
• สัตว์ที่หายใจด้วยอากาศและสัตว์ที่หายใจด้วยน้ำแตกต่างกันอย่างไรในการควบคุม pH?

Key theories

การควบคุมการระบายอากาศโดยตัวรับเคมี

ตัวรับเคมีส่วนปลายและส่วนกลางจะตรวจสอบออกซิเจน คาร์บอนไดออกไซด์ และ pH และกระตุ้นการเปลี่ยนแปลงการหายใจแบบรีเฟล็กซ์ เพื่อให้การระบายอากาศเพิ่มขึ้นเมื่อคาร์บอนไดออกไซด์หรือความเป็นกรดเพิ่มขึ้น หรือออกซิเจนลดลง ซึ่งจะช่วยรักษาระดับก๊าซในเลือดให้คงที่

บัฟเฟอร์ไบคาร์บอเนตและการทำงานร่วมกันระหว่างระบบหายใจและเมแทบอลิซึม

ระบบคาร์บอนไดออกไซด์–ไบคาร์บอเนตจะบัฟเฟอร์ pH ของของเหลวในร่างกาย และเนื่องจากคาร์บอนไดออกไซด์เป็นสารระเหย pH จึงสามารถควบคุมได้อย่างรวดเร็วโดยการระบายอากาศ และช้าลงโดยการปรับไบคาร์บอเนตผ่านไตหรือเหงือก

Mechanisms

ตัวรับเคมีจะตรวจจับความเบี่ยงเบนของออกซิเจน คาร์บอนไดออกไซด์ และ pH และส่งสัญญาณไปยังศูนย์รีเฟล็กซ์ที่ปรับอัตราและความลึกของการหายใจ และในสัตว์ที่หายใจด้วยน้ำ จะปรับอัตราการระบายอากาศของเหงือก เนื่องจากคาร์บอนไดออกไซด์ก่อให้เกิดกรดคาร์บอนิก การเปลี่ยนแปลงการระบายอากาศจึงทำให้ pH ของของเหลวในร่างกายเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว: การหายใจเกิน (hyperventilation) จะลดคาร์บอนไดออกไซด์และเพิ่ม pH ส่วนการหายใจน้อยเกินไป (hypoventilation) จะให้ผลตรงกันข้าม ระบบบัฟเฟอร์ไบคาร์บอเนต ซึ่งควบคุมโดยความสัมพันธ์ระหว่าง pH คาร์บอนไดออกไซด์ และไบคาร์บอเนต จะดูดซับกรดและเบส ส่วนการปรับไบคาร์บอเนตที่ช้ากว่าโดยไตในสัตว์ที่หายใจด้วยอากาศ หรือโดยการแลกเปลี่ยนไอออนผ่านเหงือกในสัตว์ที่หายใจด้วยน้ำ จะชดเชยความผิดปกติที่ยั่งยืน เนื่องจากน้ำเย็นกักเก็บคาร์บอนไดออกไซด์ได้มาก สัตว์ที่หายใจด้วยน้ำจึงมีคาร์บอนไดออกไซด์ในเลือดต่ำกว่าและพึ่งพาไบคาร์บอเนตและการขนส่งไอออนมากกว่าการระบายอากาศในการควบคุม pH

Clinical relevance

สรีรวิทยาเปรียบเทียบของการควบคุมก๊าซและกรด–ด่างช่วยให้เข้าใจการตอบสนองต่อการออกกำลังกาย ความสูง การดำน้ำ และภาวะขาดออกซิเจนในสิ่งแวดล้อม และเป็นกรอบในการตีความการวัดก๊าซในเลือดและ pH บทความนี้เป็นเอกสารอ้างอิงเพื่อการศึกษาและไม่ได้ให้คำแนะนำทางการแพทย์

History

ผลงานของ Haldane เกี่ยวกับการควบคุมการหายใจด้วยคาร์บอนไดออกไซด์ และการวิเคราะห์เชิงปริมาณของระบบบัฟเฟอร์ไบคาร์บอเนตโดย Henderson และ Hasselbalch ได้สร้างพื้นฐานของการควบคุมก๊าซในเลือดและ pH และการค้นพบตัวรับเคมีในหลอดเลือดแดงโดย Heymans ได้ระบุตัวรับสัญญาณเหล่านี้ สรีรวิทยาเปรียบเทียบได้ขยายแนวคิดเหล่านี้ไปยังกลยุทธ์ที่แตกต่างกันของสัตว์ที่หายใจด้วยอากาศและสัตว์ที่หายใจด้วยน้ำ

Key figures

• John Scott Haldane
• Lawrence Henderson
• Karl Hasselbalch
• Corneille Heymans

Seminal works

• westsd2012
• hill2016
• randall2002

Frequently asked questions

เหตุใดการหายใจจึงควบคุม pH ของเลือดได้อย่างรวดเร็ว?

คาร์บอนไดออกไซด์ก่อให้เกิดกรดในเลือด ดังนั้นการเปลี่ยนความเร็วในการหายใจจะเพิ่มหรือลดคาร์บอนไดออกไซด์อย่างรวดเร็ว และทำให้ pH เปลี่ยนแปลงภายในไม่กี่วินาทีถึงนาที

ปลาควบคุมสมดุลกรด–ด่างเหมือนสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมหรือไม่?

ไม่ทั้งหมด เนื่องจากน้ำสามารถพัดพาคาร์บอนไดออกไซด์ออกไปได้ง่าย ปลาจึงพึ่งพาการเปลี่ยนแปลงการระบายอากาศน้อยลง และพึ่งพาการแลกเปลี่ยนไอออนกรดและเบสผ่านเหงือกมากขึ้นเพื่อควบคุม pH