การแลกเปลี่ยนก๊าซ (Gas exchange in animals)

การแลกเปลี่ยนก๊าซ (Gas exchange in animals)

        1.  เหงือก : อวัยวะสำหรับการแลกเปลี่ยนแก๊ซในสัตว์น้ำ

     ·   มี  gills (เหงือก) เป็นอวัยวะในการแลกเปลี่ยนก๊าซ เหงือกมีลักษณะต่างๆ กันไปในสัตว์น้ำแต่ละชนิด       

     ·   ในสัตว์น้ำมีกระบวนการเรียกว่า  การหล่อเลี้ยง/หรือระบายด้วยลม (ventilation)  ซึ่งเป็นการเพิ่มการไหลเวียนของน้ำ (ซึ่งมี O₂ อยู่น้อย)  ให้มากขึ้น  ตัวอย่างไหลเวียนของน้ำผ่านเหงือกในปลา
    · ในปลาน้ำที่ผ่านเหงือกจะมีทิศทางการไหลเวียนตรงข้ามกับทิศทาง การไหลของเลือดทำให้การถ่ายเอา O₂ ออกจากน้ำได้ถึง 80 %     

2.  ระบบท่อลม (tracheal  systems) และปอดในสัตว์บก

         ·   O₂ และ CO₂ มีการแพร่ได้รวดเร็วในอากาศ  สัตว์บกจึงไม่จำเป็นต้องมีระบบการหล่อ เลี้ยงด้วยลม (ventilation)     ในทางกลับกัน  ปัญหาที่สำคัญของสัตว์บกคือ  ต้องรักษาความชื้นในอวัยวะที่มีการแลกเปลี่ยนก๊าซ  เนื่องจากว่ามีการเสียน้ำไปกับอากาศที่หายใจเข้ามาตลอดเวลา

2.1 ระบบท่อลม (tracheal  systems)

    · ในแมลงระบบท่อลม (tracheal  system)  จะมีท่อลำเลียงอากาศที่แตกแขนงไปตามร่างกาย     ท่อที่ใหญ่ที่สุดเรียกว่า  trachea  ซึ่งจะเปิดสู่ภายนอกได้  ท่อลำเลียงอากาศเล็กๆ จะแตกกิ่งก้านไปยังเซลล์ต่างๆ  ก๊าซออกซิเจนจะแพร่ผ่านเนื้อเยื่อบุผิว (epithelium)  ที่อยู่ปลายสุดของระบบท่อลม

2.2  Lungs (ปอด)

                        ·   มีเส้นเลือดฝอย (capillaries) โยงใยอยู่หนาแน่น

                        ·   เป็นที่แลกเปลี่ยนก๊าซ

                        ·   พบใน  แมงมุม  หอยทาก  สัตว์มีกระดูสันหลัง

                  2.3    ระบบหายใจในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนม

          ·   ปอดอยู่บริเวณอก (chest ) คล้ายฟองน้ำ  มีพื้นที่ประมาณ 100  ตารางเมตรในคน

       ·   อากาศผ่านจากการหายใจเข้าทางจมูกสู่  pharynx ไป larynx ไป trachea (ท่อลม) ไป bronchus ไป bronchioles ไป alveoli  ซึ่งเป็นที่ๆ มีการแลกเปลี่ยน O₂ กับ CO₂  

          ·    คนเราดึงอากาศเข้ามาในปอดด้วย negative pressure breathing = ดูดอากาศลงมาที่ปอด

        ·   ปอดที่ขยายขึ้นเกิดจากการหดตัวของกล้ามเนื้อซี่โครงและ diaphragm ซึ่งเป็นแผ่นกล้ามเนื้อด้านล่าง  ช่องว่างอกเลื่อนลง
       ·   ปริมาณอากาศที่เราหายใจเข้า-ออก 1 ครั้ง เรียกว่า tidal volume  ซึ่งประมาณ 500 ml  ในคน

       ·   ปริมาณอากาศที่เราสามารถหายใจเข้าออกได้มากที่สุดเรียกว่า  vital  capacity  ซึ่งจะประมาณ 3400 ml  และ  4800  ml  ในผู้หญิงและผู้ชายตามลำดับ

          ·   อย่างไรก็ตามอากาศใน  alveoli จะไม่หมดไปเลยที่เดียว เมื่อเราหายใจออก  อากาศที่เหลือ จากที่เราพยายามหายใจออกให้มากที่สุดแล้วเรียกว่า  residual  volume

         ·   นกมีถุงลม 8 – 9 ถุง  ซึ่งจะต่อเข้าไปในส่วนบริเวณ  ท้อง  คอ  จนถึงปีก  ถุงลมช่วยในการผ่านอากาศสู่ปอด  และช่วยในการบิน  ในนกมีท่อเล็กๆ เรียก  parabronchi แทนที่จะเป็น  alveoli

3.  การควบคุมการหายใจ

     ·   Breathing  control  centers  อยู่ที่สมองส่วน  Medulla  oblongata  กับ Pons

     ·   Medulla’s  center  ควบคุมจังหวะการหายใจพื้นฐานร่วมกับ   pons เมื่อเราหายใจลึกๆ  จะมีตัว sensors ที่  lung  tissue  ส่งกระแสประสาทมาที่  medulla  ยังยั้ง  breathing  control  center  ไม่ให้ปอดขยายมากเกินไป

    ·   Medulla’s control center  ยังคอยรักษาระดับ CO₂   ซึ่งจะมีค่า  pH  ในเลือดเป็นตัวบอก (CO₂ + H₂O ® carbonic  acid (H₂CO₃) ® pH ลดลง  ถ้า  pH  ในเลือดลดลงจะทำให้หายใจเพิ่มขึ้น

4.  การแพร่ของก๊าซในปอดและอวัยวะต่างๆ

     ·   partial pressure  ของ  O₂ = ความดันมาตรฐานระดับน้ำทะเล

        (760  mm Hg) ´ % O₂ ในอากาศ  

                                                    = 760 ´ 0.21 = 160 mm ปรอท

     ·   ก๊าซจะมีแพร่จากที่ๆ higher partial  pressure  ไปใน  lower  partial  pressure

     ·   partial pressure  ของ  O₂ ที่เราหายใจเข้า (inhaled air) เท่ากับ 160 mm ปรอท 

5.  การขนส่งก๊าซโดย  respiratory  pigments

5.1    การขนส่ง O₂

       ·   ใน arthropods  และ  mollusks  เลือดมีสีน้ำเงินเกิดจาก hemocyanin (ที่มี Cu2+ เป็นสีฟ้า) ซึ่งเป็นโปรตีนที่คอยขนส่ง O₂ ในสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลัง  ส่วนในสัตว์มีกระดูกสันหลังมี hemoglobin  ซึ่งประกอบด้วย 4 subunits  ย่อยๆ แต่ละ subunit จับกับ 1 cofactor (heme) ซึ่งจะเรียกเป็น  1 hemogroup  และจะมี ion atom (Fe2+) อยู่ที่ศูนย์กลาง hemogroup ด้วย     แต่ละ  hemoglobin  molecule  สามารถจับกับ O₂ ได้ 4 โมเลกุล (molecules)

     ·   ถ้า  pH  ในเลือดลดลง  การจับของ hemoglobin กับ O₂ จะลดลงด้วย  เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า  Bohr  shift

                  

5.2   การขนส่ง  CO₂

      ·   hemoglobin ยังช่วยขนส่ง  CO₂  และรักษาระดับ pH ในเลือด

                  ·   70 % ของ  CO₂ ในเลือดอยู่ในรูปของ  bicarbonate ions (HCO₃-) เมื่อมีการแพร่ของ CO2 ออกจากเลือดทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสมดุลย์ทางเคมี  ทำให้ H₂CO₃ เปลี่ยนเป็น CO₂ เมื่อเลือดเคลื่อนเข้าสู่เส้นเลือดฝอย capillaries

                      

         6.  สัตว์บางชนิดมีการเก็บ O₂ ไว้ได้

                 ·   แมวน้ำสามารถเก็บ O₂ ไว้ได้
          · แมวน้ำมีเลือดถึง 24 ลิตรสามารถเก็บ O₂ ไว้ได้มากกว่าเรา ดำน้ำได้เกือบ 1 ชั่วโมง

              ·   คนในปอดมี O₂  36 % ในเลือดมี O₂  51 %  เทียบกับแมวน้ำซึ่งมี O₂ ในปอด  5 %  ในเลือด  70 %  อาจเนื่องมาจากแมวน้ำมีเลือดมากกว่าเรา 2 เท่า  เมื่อเทียบตามน้ำหนักตัวและมีม้ามที่เก็บเลือดได้ถึง 24 ลิตร

                 ·   นอกจากนี้สัตว์ที่ดำน้ำได้เก่งๆ จะมีโปรตีนชื่อ myoglobin  ในกล้ามเนื้อ  ซึ่งเป็นที่เก็บ  O₂ ซึ่งในแมวน้ำสามารถเก็บ O₂ ไว้ในกล้ามเนื้อนี้ประมาณ 25 % เทียบกับคนเพียงแค่ 13 %

                 ·  นอกจากนี้ hemoglobin ของทารกในครรภ์ยังจับกับ O₂ ได้ดีกว่า

          _______________________________________________________________________