Tuần hoàn và Hô hấp
Cách động vật hấp thụ oxy và thải carbon dioxide, cũng như cách các bơm và mạch máu phân phối các chất này và các chất khác khắp cơ thể để đáp ứng nhu cầu trao đổi chất.
Definition
Hô hấp theo nghĩa sinh lý này là sự trao đổi oxy và carbon dioxide giữa động vật và môi trường của nó, cũng như sự vận chuyển chúng đến và đi từ các mô; tuần hoàn là sự di chuyển khối lượng lớn máu hoặc huyết tương bởi một hệ thống bơm và mạch máu phân phối khí, chất dinh dưỡng, chất thải, hormone và nhiệt khắp cơ thể.
Scope
Lĩnh vực này bao gồm sinh lý học so sánh về trao đổi khí và vận chuyển nội bộ: các bề mặt hô hấp như mang, phổi và khí quản; sự gắn kết và vận chuyển oxy bởi các sắc tố hô hấp; cấu trúc và chức năng của tim và hệ tuần hoàn; và sự điều hòa hô hấp và khí máu bao gồm cân bằng axit-bazơ. Nó bao gồm các nguyên tắc vật lý của khuếch tán và đối lưu và sự đa dạng của các giải pháp mà động vật đã phát triển trong môi trường sống dưới nước, trên không và trên cạn. Phạm vi bao phủ mang tính so sánh và cơ chế hơn là lâm sàng.
Sub-topics
Core questions
- Các bề mặt hô hấp tối đa hóa trao đổi khí qua các môi trường khác nhau như nước và không khí như thế nào?
- Các sắc tố hô hấp tải oxy ở nơi có nhiều và giải phóng nó ở nơi cần thiết như thế nào?
- Hệ tuần hoàn và tim được tổ chức như thế nào để di chuyển máu hiệu quả ở động vật có kích thước và lối sống khác nhau?
- Động vật cảm nhận và điều hòa khí máu cũng như duy trì cân bằng axit-bazơ như thế nào?
Key theories
- Sự gắn kết oxy hợp tác và đường cong phân ly sigmoid
- Các sắc tố hô hấp như hemoglobin gắn oxy một cách hợp tác, tạo ra đường cong phân ly sigmoid giúp thúc đẩy quá trình tải hiệu quả tại bề mặt hô hấp và giải phóng tại các mô hoạt động, với vị trí của đường cong bị dịch chuyển bởi carbon dioxide, pH và nhiệt độ.
- Thiết kế vận chuyển khí theo đối lưu–khuếch tán
- Trao đổi khí hiệu quả kết hợp việc vận chuyển đối lưu môi trường và máu đến và đi từ một bề mặt hô hấp mỏng với sự khuếch tán qua nó, và các sắp xếp như dòng chảy ngược chiều trong mang tối đa hóa các gradient thúc đẩy sự khuếch tán.
Mechanisms
Trao đổi khí phụ thuộc vào sự khuếch tán qua các bề mặt hô hấp mỏng, có diện tích lớn, được cung cấp liên tục bằng cách thông khí môi trường bên ngoài và tưới máu. Mang sử dụng dòng chảy ngược chiều của nước và máu để duy trì gradient khuếch tán cao; phổi sử dụng dòng chảy theo chu kỳ hoặc, ở chim, dòng chảy một chiều; côn trùng cung cấp oxy trực tiếp đến các mô thông qua khí quản. Oxy được vận chuyển chủ yếu gắn với các sắc tố hô hấp mà sự gắn kết hợp tác và độ nhạy cảm với CO2, pH và nhiệt độ điều chỉnh quá trình tải và giải phóng. Tim tạo áp lực để đẩy máu qua hệ tuần hoàn hở hoặc kín, và sức cản mạch máu và dung tích mạch máu phân phối dòng chảy. Hô hấp và tuần hoàn được điều hòa bởi các thụ thể hóa học giám sát O2, CO2 và pH, điều chỉnh thông khí và cung lượng tim, trong khi đệm và trao đổi ion duy trì cân bằng axit-bazơ.
Clinical relevance
Các nghiên cứu so sánh về động vật có vú lặn, các loài sống ở độ cao lớn và cá thở bằng không khí làm sáng tỏ giới hạn hiệu suất tim phổi của con người và cung cấp thông tin cho nghiên cứu về thiếu oxy, tập thể dục và chức năng hô hấp và tim mạch. Mục này mang tính giáo dục và không cung cấp hướng dẫn y tế.
History
Các nghiên cứu của August Krogh về chức năng mao mạch và trao đổi khí, cùng với khám phá của Christian Bohr về ảnh hưởng của carbon dioxide đến sự gắn kết oxy, đã đặt nền móng cho sinh lý học hô hấp. Schmidt-Nielsen và những người khác đã mở rộng lĩnh vực này sang các thích nghi đáng kinh ngạc của động vật sa mạc, lặn và sống ở độ cao lớn, coi tuần hoàn và hô hấp là các vấn đề thiết kế dưới những hạn chế vật lý.
Key figures
- August Krogh
- Knut Schmidt-Nielsen
- Christian Bohr
- John B. West
Related topics
Seminal works
- schmidtnielsen1997
- hill2016
- westsd2012
Frequently asked questions
- Tại sao dòng chảy ngược chiều lại quan trọng ở mang cá?
- Việc cho nước và máu chảy ngược chiều nhau duy trì gradient oxy dọc theo toàn bộ bề mặt mang, do đó máu có thể hấp thụ nhiều oxy hơn đáng kể so với khi hai dòng chảy cùng chiều.
- Điều gì làm cho đường cong phân ly oxy có hình chữ S?
- Hemoglobin gắn oxy một cách hợp tác, vì vậy việc gắn một phân tử oxy làm cho phân tử tiếp theo dễ dàng hơn; điều này tạo ra một đường cong sigmoid có lợi cho việc tải đầy đủ ở phổi hoặc mang và giải phóng dễ dàng ở các mô hoạt động.