تنوع تبادلات گازی در جانوران – به زبان ساده

فرار از جانوران شکارچی، جست‌وجوی غذا، تولید مثل، گوارش غذا و هزاران فعالیت دیگری که در جانوران انجام می‌شود، نیاز به مصرف انرژی دارد. منبع اصلی انرژی سلولی در بسیاری از جانوران ATP است که در فرایندهای هوازی و در حضور اکسيژن تولید می‌شود. به علاوه دی‌اکسید کربن یکی از موادی است که در واکنش‌های تشکیل ATP ایجاد می‌شود که برای سلول سمی است و باید از بدن خارج شود. به همین دلیل همه جانوران به سیستمی برای تبادل این گازها با محیط نیاز دارند. تنوع زیستگاه جانوران، اندازه جثه و میزان فعالیت آن‌ها سبب تنوع تبادلات گازی در این موجودات شده است. در این مطلب تنوع تبادلات گازی و انواع تنفس از بی‌مهرگان ساده تا پستانداران پیچیده را توضیح می‌دهیم.

تنوع تبادلات گازی در جانوران

جانوران برای انجام بسیاری از فرایندهای زیستی خود نیاز به دریافت گاز اکسیژن موجود در فضای اطراف (اتمسفر، خاک و آب) دارند. به علاوه دی‌اکسید کربن یکی از ترکیبات گازی است که به‌وسیله فرایندهای مختلف تولید می‌شود و باید از بدن این موجودات خارج شود. به همین دلیل در تمام این موجودات از انواع بسیار ساده تک‌سلولی تا انواع پیچیده‌ای پستاندران سیستم‌هایی برای تبادلات گازی تکامل یافته است. ساده‌ترین سیستم تبادل گازی در تک‌سلولی‌ها دیده می‌شود. این سلول‌ها در ارتباط مستقیم با فضای اطراف هستند و گازهای تنفسی را مستقیم و از راه انتشار ساده با محیط مبادله می‌کنند. اما سیستم تبادلات گازی در بی‌مهره‌گان و مهره‌داران به چهار دسته تنفس پوستی، نایدیسی، آبششی و ششی تقسیم می‌شود. وجود غشای نازک و نیمه‌تروا برای تبادل گازها ویژگی مشترک تمام این سیستم‌های تبادلی است.

تنوع تبادلات گازی در بی مهره ها

بی‌مهره‌ها گروهی از جانوران هستند که اسکلت داخلی در آن‌ها وجود ندارد. گونه‌های زیادی از جانوران (حدود ۹۰۰٪ گونه‌های موجود در طبیعت) به این گروه اختصاص دارند. کرم‌های لوله و پهن، بندپایان، نرم‌تنان، خارپوستان و کیسه‌تنان انواع بی‌مهره‌هایی هستند که تنوع تبادلات گازی در آن‌ها زیاد است.

تبادلات گازی در کیسه تنان

کیسه‌تنان (هیدر و عروس دریایی) بی‌مهره‌های بسیار ساده‌ای هستند که در زیستگاه‌های آب شور زندگی می‌کنند. بدن بیشتر گونه‌های این جانوران از دو لایه بافت اکتودرم (سلول‌های دریافت‌کننده غذا و ترشح‌کننده مخاط) و اندودرم (سلول‌های ترشح‌کننده آنزیم‌های ترشحی) به همراه حفره مرکزی (حفره رگی-گوارشی یا سلوم) تشکیل می‌شود. سیستم تنفسی، گوارشی و گردش خون در این جانوران وجود ندارد. تمام سلول‌های اکتودرم که در ارتباط مستقیم با آب هستند می‌توانند بر اساس شیب غلظت و فشار گاز اکسیژن محلول در آب را دریافت کنند. همچنین دی‌اکسید کربن و مواد زائد نیتروژنی (آمونیاک) به‌وسیله انتشار ساده از سیتوپلاسم سلول به آب دریا منتقل می‌شود.

تبادلات گازی در تنفس پوستی بی مهره ها

در تنفس پوستی، تبادلات گازی بین جو و سیستم گردش خون جانور از راه پوست انجام می‌شود. «آنلیدها« (Annelds) و دوزیستان بالغ دو دسته جانورانی هستند که برای تبادلات گازی از تنفس پوستی بهره می‌برند. برای درک بهتر این نوع تبادل گازی سیستم تنفسی کرم خاکی را بررسی می‌کنیم. کرم‌خاکی یکی بی‌مهره‌‌های ساده با سیستم گردش خون بسته است که پوستی بسیار نازک و با مویرگ‌های فروان دارد. ورود اکسیژن به بدن جانور و خروج دی‌اکسید کربن بدون حضور رطوبت امکان‌پذیر نیست. به همین دلیل سلول‌های موجود در پوست مخاطی ترشح می‌کنند که سطح پوست را برای تبادل بهینه گازها مرطوب نگه می‌دارد. در این نوع تنفس اکسیژن مولکولی پس از انحلال در مخاط بر اساس شیب غلظت وارد سلول‌های پوست می‌شود و پس به‌وسیله مویرگ‌های خونی به پنج قلب کرم منتقل خواهد شد. انقباض قلب‌ها خون با غلظت اکسيژن زیاد را به قطعه‌های بدن مختلف منتقل می‌کند.

 تنفس نایدیسی

تنفس نایدیسی یکی از سیستم‌های تبادل گازی در در حشرات و بندپایان خشکی‌زی است که از ساختارهای لوله‌ای به نام نای، نایژه، کیسه‌های هوایی (در همه سیستم‌های نایدیسی وجود ندارد) و استیگما یا «اسپیراکل» (Spiracle) برای تبادل اکسیژن و دی‌اکسید کربن با اتمسفر استفاده می‌کند.

اسپیراکل‌ها دریچه‌های ماهیچه‌ای روی اسکلت خارجی حشرات هستند که ورود گازها به لوله‌های نایی را کنترل می‌کنند. با انقباض این ماهیچه‌ها دریچه اسپراکل بسته و با استراحت این ماهیچه‌ها اسپیراکل باز می‌شود. در شرایط عادی کنترل انقباض و استراحت این ماهیچه‌ها بر عهده سیستم عصبی مرکزی است اما تغییر مواد شیمیایی محیط نیز بر باز و بسته شدن دریچه اثر می‌گذارد. در بعضی حشرات موهای اطراف اسپیراکل جریان نامنظم هوا اطراف دریچه و تبخیر آب از این ساختار را کاهش می‌دهد. در بیشتر بی‌مهره‌هایی که از این نوع تبادل گازی استفاده می‌کنند، اسپیراکل‌ها در ناحیه شکمی (بخش نزدیک به زمین) و یک جفت در هر بند قرار دارد.

نای و نایژه‌های لوله‌هایی باریک هستند که مولکول اکسیژن دریافتی از اسپیراکل را مستقیم به بافت‌های مختلف سلول و نزدیک‌ترین فاصله به میتوکندری برای تولید ATP در فرایند تنفس سلولی می‌رسانند. نای لوله‌ای اصلی انتقال گازها است و معمولا زیر سطح شکمی و غیرشکمی بدن حشرات و بندپایان قرار دارد. هزاران شاخه با قطر کمتر از این لوله منشعب می‌شود که انتهای آن در فاصله کمی از بافت قرار دارد. فضای بین نایژه‌ها و بافت را مایع یا هوا پر می‌کند. اکسیژن برای ورود به سلول ابتدا در این مایع حل می‌شود و به‌وسیله اختلاف فشار (فشار اکسیژن سیتوپلاسم سلول کمتر از مایع انتهای نایژه‌ای است) از غشای پلاسمایی انتشار می‌یابد. همزمان دی‌اکسید کربن تولید شده در سلول بر اساس اختلاف فشار گاز و پس از حل شدن در مایع انتهای نایژه وارد سیستم نایی و از بدن خارج خواهد شد.

برای جلوگیری از روی هم خوابیدگی بر اثر تغییر فشار گاز، دیواره داخلی نای با آرایش مارپیچی یا حلقه‌ای رشته‌های کوتیکولی (از جنس اسکلت خارجی) سیم‌پیچی شده است. این ساختار را می‌توان مشابه غضروف‌های موجود در نای پستانداران در نظر گرفت. در بعضی سیستم‌های تنفس نایدیسی (به خصوص در جانواران پروازی) رشته‌های کوتیکول در فواصل منظمی با کیسه‌های هوایی جایگزین می‌شوند. کیسه‌های هوایی اندام‌های ساده‌ای برای ذخیره هوا هستند. وجود این کیسه‌ها به جانوران خشکی‌زی اجازه می‌دهد در شرایط دمای بالا و گرمای زیاد برای جلوگیری از تبخیر آب بدن اسپیراکل‌ها را ببندند و از هوای ذخیره شده استفاده کنند. حشرات آبزی از هوای موجود در کیسه‌ها در مواقعی که زیر آب هستند و برای شناور ماندن استفاده می‌کنند.

تبادلات گازی در حشرات کوچک غیرفعال و وابسته به انتشار گازها در سیستم نایدیسی است. اما تبادلات گازها در حشرات بزرگ‌تر با فعالیت بیشتر به خصوص در استرس‌های محیطی (افزایش دما یا حمله جانوران شکارچی) به تهویه فعال گازها نیاز دارد. در این شرایط جانور به کمک انقباض متناوب ماهیچه‌های شکمی حجم بدن را برای دریافت و خارج کردن هوای بیشتر، افزایش یا کاهش می‌دهد. به علاوه انقباض این ماهیچه‌ها به باز و بسته شدن متناوب (تعدادی از دریچه‌های بسته و تعدادی باز هستند) دریچه‌های اسپیراکل کمک می‌کند. به همین دلیل سرعت تبادل گازها در کنار وزن اسکلت خارجی اندازه بدن حشرات را تعیین می‌کند. تفاوت اصلی این سیستم تبادل گازی با تنفس آبششی و ششی در دخالت نداشتن سیستم گردش خون در تبادل گازی است.

 تنفس آبششی بی مهره ها

شش‌های کتابی در بندپایان آبزی به آبشش‌های کتابی (Book Gills) تبدیل می‌شوند. ساختار این اندام‌ها شبیه به شش‌های کتابی است اما خارج از بدن جانور قرار دارند. لیمولوس‌ها (خرچنگ نعلی) انواعی از بندپایان هستند که پنج جفت آبشش به تنفس آن‌ها در آب کمک می‌کند. حرکت این آبشش‌ها در فواصل زمانی مشخص به ورود و خروج خون بین غشاهای تنفسی و حرکت آب اطراف آبشش کمک می‌کند.

آبشش ستاره دریایی

ستاره دریایی یکی از اعضای خانواده خارپوستان است که در زیستگاه‌های آب شور زندگی می‌کند. این جانور آبزی برای دریافت اکسیزن محلول در آب و انتقال دی‌اکسید کربن حاصل از واکنش‌های سلولی به آب از آبشش‌های پوستی یا «پاپولس» (Papules) استفاده می‌کند. پاپولس‌ها زوائد کوتاه با دیواره نازک در سطح بدن ستاره دریایی هستند. یه همین دلیل اکسیژن و دی‌اکسید کربن به راحتی بر اساس اختلاف فشار گاز (فشار اکسیزن در آب و فشار دی‌اکسد کربن در بدن بیشتر است) وارد بدن جانور یا از بدن آن خارج می‌شود. بسیاری از مواد زائد ازجمله آمونیاک نیز به‌وسیله غشای این ساختار با محیط مبادله می‌شود. در نتیجه حفره بدن یا «سلوم» (Coelom) ستاره دریایی بخشی از سیستم تنفسی و دفع جانور به حساب می‌آید که وظیفه دریافت مواد زائد و اکسیژن‌رسانی به بافت‌ها را بر عهده دارد.

تبادلات گازی در تنفس ششی بی مهره ها

سیستم تنفسی بعضی از بی‌مهره‌ها از اندام ششی تشکیل می‌شود. اما ساختار و عملکرد این اندام بسیار ساده‌تر از ریه پستانداران است و می‌توان آن را مدل ابتدایی ریه در طبیعت در نظر گرفت. «شش‌های کتابی» (Book Lung) یکی از انواع شش در بعضی گونه‌های بندپایان (آراشینیدها | Arachnids) ازجمله عنکبوت و عقرب است. این اندام‌ها در انتهای حفره شکمی و به‌وسیله استیگما در ارتباط مستقیم با اتمسفر قرار دارند. شش‌های کتابی محفظه‌ای هستند که از لایه‌های منظم غشای تنفسی و مایع همولنف تشکیل می‌شوند و آرایش این لایه‌ها شبیه به صفحات تاخورده کتاب است. سیستم تنفسی در بیشتر عنکبوتیان از یک جفت و در عقرب‌ها از چهار جفت شش تشکیل می‌شود. تاخوردگی‌های کیسه‌های هوا (لاملا | Lamellae) سطح در دسترس برای تبادل گازها را افزایش می‌دهد.

تنوع تبادلات گازی در مهره داران

در بخش‌های قبلی تنوع تبادلات گازی در جانوران بی‌مهره را بررسی کردیم. در این قسمت تنوع تبادلات گازی و انواع تنفس در مهره‌داران را توضیح می‌دهیم. مهره‌داران گروهی از جانوران هستند که اسکلت داخلی آن‌ها ساختار کلی بدن را حفظ می‌کند. این اسکلت معمولا از انواع مختلف بافت استخوانی و غضروفی تشکیل شده است. ماهی‌ها، دوزیستان، خزندگان، پرندگان و پستانداران گونه‌های مختلف مهره‌داران هستند که بر اساس محل زندگی و اندازه جثه از روش‌های مختلفی برای تبادلات گازی بهره می‌برند.

تبادلات گازی در تنفس آبششی ماهی ها

آبشش‌ها اندام‌هایی هستند که سطح لازم برای تبادلات گازی در بعضی از مهر‌داران آبزی را فراهم می‌کنند. این اندام‌ها ساختاری شبیه به فیلامنت‌های پروتئینی زیر پوست یا اوپرکولوم در دو طرف گلوی ماهی ایجاد می‌کنند. آبشش علاوه بر تبادل گازهای تنفسی، تبادل اسیدها، آمونیاک، آب و یون‌های مورد نیاز جانور با آب اطراف را دارد. به همین دلیل هر آبشش شبکه مویرگی گسترده‌ای را در خود جای می‌دهد. برای تنفس و تبادل گازها ماهی آب را وارد دهان می‌کند. آب با غلظت بالای اکسیژن به آبشش‌ها منتقل می‌شود و در غشای تنفسی آبشش اکسیژن محلول در آب وارد خون و دی‌اکسید کربن از خون خارج خواهد شد.

ساختار آبشش ماهی

آبشش ماهی‌‌ها از مجموعه قوس و فیلامنت‌های آبششی تشکیل شده است که جریان آب و مویرگ‌ها بین آن‌ها قرار دارند. هر فیلامنت آبششی مجموعه از تاخوردگی‌های غشای تنفسی یا لاملا است که آب بین آن‌ها جریان دارد. چگالی جریان آب بین تیغه‌ها (لاملا) از روی هم‌خوابیدگی فیلامنت‌های آبششی (اتفاقی که در خشکی می‌افتد) جلوگیری می‌کند. لاملا مساحت سطح در دسترس برای جذب اکسیژن کم آب را فراهم می‌کند. اکسیژن محلول در آب بر اساس اختلاف فشار گاز وارد مویرگ‌های این قسمت شده و به قلب منتقل می‌شود. انقباض قلب ماهی سبب می‌شود خون با غلظت بالای اکسیژن در یک چرخه بسته به بافت‌های مختلف برسد. همزمان دی‌اکسید کربن موجود در خون بر اساس اختلاف غلظت و فشار گازی به آب متنقل و از مسیر حفره‌ها حلقی خارج می‌شود.

برای بهینه‌سازی تبادل گازهای تنفسی و سایر مواد جریان خون و آب در آبشش‌ها بر خلاف هم حرکت می‌کنند (مکانیسم جریان مخالف). در این مکانیسم مویرگ آوران آبشش (خون با اکسیژن کم) با جریان خروجی آب و مویرگ وابران آبشش (خون با غلظت اکسیژن زیاد) با ورودی جریان آب در ارتباط است. در نتیجه اکسیژن در تمام قسمت‌ها مویرگ از آب به خون منتقل می‌شود. در نتیجه آبشش حدود ۸۰٪ اکسیژن محلول در آب را دریافت می‌کند.

تبادلات گازی در تنفس پوستی دوزیستان

دوزیستانی مهره‌دارانی با تنوع تبادلات گازی زیاد هستند. تنفس پوستی یکی از انواع تبادلات گازی است که بسیاری از دوزیستان از آن بهره می برند. در قورباغه بالغ نوع تنفس وابسته به مرحله رشد و زیستگاه جانور است. زمانی که قورباغه کاملا زیر سطح آب قرار می‌گیرد، تبادل گاز اکسیژن و دی‌اکسید کربن در آن به‌وسیله تنفس پوستی انجام می‌شود. پوست این جانور مثل کرم خاکی از لایه نازک نفوذپذیر به آب با شبکه مویرگی گسترده تشکیل شده است. در این شرایط مولکول اکسیژن بر اساس اختلاف شیب غلظت و فشار گاز پس از عبور از سلول‌های پوستی وارد مویرگ‌ها شده و به قلب انتقال داده می‌شود. در خشکی، غدد مخاطی بافت پوست، موکوسی ترشح می‌کنند که سطح بدن جانور را مرطوب نگه می‌دارد. اما درصد کمی از اکسیژن مورد نیاز بدن در خشکی به‌وسیله تنفس پوستی تامین می‌شود.

تبادلات گازی در تنفس ششی

تبادلات گازی در بسیاری از مهره‌دارن به‌وسیله تنفس ششی انجام می‌شود. دوزیستان، خزندگان، پرندگان و پستانداران گونه‌های مهره‌داری هستند که ریه یکی از اجزای اصلی دستگاه تنفس آن‌ها برای تبادل گاز اکسیژن و دی‌اکسید کربن است. این موجودات در اکوسیستم‌های مختلفی زندگی می‌کنند که غلظت اکسیژن موجود در اتمسفر یا آب متفاوت است و بر اساس میزان فعالیت به حجم متفاوتی از اکسیژن نیاز دارند. در نتیجه مورفولوژی و ساختار این اندام در این گونه‌ها متفاوت است.

تنفس ششی در دوزیستان

قورباغه‌ها یکی از گونه‌های دوزیستی هستند که سیستم تنفسی آن‌ها به خوبی مطالعه شده است. این جانوران در مراحل مختلف زندگی از مکانیسم‌های متفاوتی برای تبادل گازها بهره می‌برند. تبادلات گازی در لاور قورباغه به‌وسیله آبشش انجام می‌شود و در گونه بالغ تنفس پوستی و ششی مسیرهای مکانیسم‌های اصلی تبادلات گازی هستند. ریه‌های قورباغه دو اندام کیسه‌ای شکل با دیواره نازک هستند که به‌وسیله دهانه کوچک گلوت (Glottis) با دهان ارتباط برقرار می‌کنند. حفره‌های دیواره ریه مساحت سطح در دسترس برای تبادل گازهای تنفسی را افزایش می‌دهد. در تنفس ششی قورباغه هوا ابتدا وارد دهان می‌شود. پس از بسته شدن دهان و دهانه داخلی حفره‌های بینی، گلوت باز خواهد شد. بالا آمدن کف دهان سبب ورود با فشار هوا به ریه‌ها می‌شود. خون با اکسیژن بالا از ریه‌ها و مویرگ‌های پوستی به دهلیز چپ قلب وارد می‌شود و پس از انقباض بطنی اکسيژن را به بافت‌های مختلف می‌رساند.

تنفس ششی در خزندگان

زیستگاه اصلی خزندگان مناطق گرم و خشک کره زمین است. به همین دلیل پوست آن‌ها برای جلوگیری از تبخیر آب بدن از چند لایه سلول و فلس تشکیل شده است. در نتیجه این جانوران نمی‌تواند برای تبادلات گازی خود از تنفس آبششی یا پوستی بهره برند و جثه بزرگ بدن اجازه استفاده از سیستم تنفس نایدیسی را به جاندار نمی‌دهد. خزندگان یکی از گونه‌های جانوری هستند که مکانیسم تبادل گازها در تمام رده‌های آن تنفس ششی است. سیستم تنفسی این جانوران از دوزیستان تکامل‌یافته‌تر است و از بینی، گلوت، نای (در بعضی رده‌ها) و ریه‌های تشکیل می‌شود.

ریه خزندگان کوچک نسبت به دوزیستان مساحت سطح بیشتری برای تبادل گازها و نسبت طول به عرض بیشتری دارند. به علاوه حجم ریه و قفسه سینه در دم و بازدم خزندگان مثل پستانداران تغییر می‌کند. ساختار ریه در خزندگان بزرگ ازجمله تمساح شباهت بیشتری به پرندگان دارد. سیستم گردش خون در این موجودات شبیه پستانداران است. خون کم‌اکسيژن پس از تبادل گازی در حفره‌های ریه به سمت چپ قلب برمی‌گیرد و با انقباض بطن چپ به بافت‌های مختلف منتقل می‌شود.

تنفس ششی در پرندگان

برخلاف خزندگان و دوزیستان، پرندگان موجودات خون‌گرمی هستند که دمای بدن آن‌ها با تغییرات محیط تغییر نمی‌کند و معمولا حدود ۴۰ درجه سانتی‌گراد ثابت می‌ماند. گرمای حاصل از انقباض ماهیچه‌های پروازی یکی از مکانیسم‌هایی است که به ثابت نگه‌داشتن دمای بدن این موجودات کمک می‌کند. اما سنتز ATP لازم برای انقباض این ماهیچه‌ها به اکسیژن زیادی نیاز دارد. به همین دلیل دستگاه تنفس پرندگان تفاوت ساختاری فراوانی با دیگر مهره‌داران دارد. دستگاه تنفس در این جانوران از نای، سوتک یا «سیرینکس» (Syrinx)، ریه‌ها و کیسه‌های هوایی تشکیل شده است. هوای ورودی از نای وارد کیسه‌های هوایی می‌شود اما این اندام‌ها در تبادل گازهای تنفسی شرکت نمی‌کنند.

برخلاف پستانداران حجم ریه در دم و بازدم پرندگان ثابت است. در این مهره‌داران انبساط و انقباض کیسه‌های هوایی به ورود و خروج هوا کمک می‌کند. هر چرخه تنفسی در پرندگان از دو دم و دو بازدم تشکیل می‌شود. در دم اول هوا از نای به ریه و از ریه به کیسه‌های هوایی پشتی منتقل می‌شود. در بازدم اول هوا از کیسه هوایی پشتی به بافت شش منتقل می‌شود. در دم دوم هوای باقی‌مانده وارد کیسه‌های هوایی جلویی می‌شود. در دومین بازدم هوای باقی‌مانده از کیسه‌های جلویی و از مسیر نای دستگاه تنفس را ترک می‌کند. دم اول و دوم (همچنین بازدم اول و دوم) همزمان انجام می‌شود.

به علاوه غشای تنفسی (آلوئول‌های پستانداران) در این جانوران از ساختارهای لوله‌ای با دیواره نازک به نام پارابرونش تشکیل شده است. مویرگ‌های موجود در این بخش‌ها پس از تبادل اکسیژن و دی‌اکسید کربن خون را به قلب می‌برند تا به‌وسیله سیستم گردش خون عمومی به بخش‌های مختلف بدن برسد.

تنفس ششی در پستانداران

پستانداران مهره‌دارانی هستند که ابعاد بدن آن‌ها نسبت به سایر گونه‌های مهره‌دار بزرگ‌تر است. به همین دلیل برای اینکه تک‌تک سلول‌ها بتوانند اکسیژن مورد نیاز خود برای تنفس سلولی و سایر فرایندهای زیستی را دریافت و مواد زائد ازجمله دی‌اکسید کربن را از سیتوپلاسم سلول خارج کنند به سیستم‌های تنفسی، گردش خون و دفع تخصصی نیاز دارند. عملکرد هماهنگ سیستم تنفسی و گردش خون بسته در این جانوران امکان انتقال اکسيژن به دورترین سلول از غشای تنفسی را فراهم می‌کند. سیستم تنفسی این موجودات از بینی،‌ حلق، نای، نایژک، نایژه‌ها، یک‌ جفت ریه و آلوئول‌ها تشکیل می‌شود. یکی از مهم‌ترین تفاوت‌های تنفس ششی در پستانداران و سایر مهره‌داران وجود ماهیچه دیافراگم است که با تغییر حجم ریه به تنفس جانور کمک می‌کند.

دهان و بینی دو مسیر ورود هوا به بدن پستانداران است. هوا از این دو حفره و پس از عبور از حلق وارد لوله نای می‌شود. نای لوله‌ای از جنس ماهیچه و غضروف است که سلول‌های گابلت در دیواره آن با ترشح مخاط به مرطوب نگه داشتن هوا کمک می‌کنند. غضروف‌های دیواره مثل رشته‌های کوتیکولی در تنفس نایدیسی از روی هم خوابیدن دیواره بر اثر تغییر فشار هوا جلوگیری می‌کند. در ادامه ساختار دستگاه تنفس انسان را برای نمونه بررسی می‌کنیم.

نای در سیستم تنفسی انسان در قفسه سینه به دو نایژه اولیه تقسیم می‌شود که هر یک وظیفه انتقال هوا به یکی از ریه‌های را بر عهده دارند. نایژه‌های اولیه در هر ریه به شاخه‌های دوم و سوم تقسیم می‌شوند. ساختار نایژه‌ها مثل نای از ماهیچه صاف و غضروف تشکیل شده است. نایژک‌ها لوله‌های هوایی پس از نایژه سوم هستند که آلوئول‌ها در انتهای آن‌ها قرار دارد و غضروف دیواره در آن‌ها با بافت پیوندی الاستیک (رشته‌های الاستین) جایگزین می‌شود. از آن‌جایی که غضروف از دیواره نایژک‌ها حذف شده است، پایداری شکل ساخحتار این لوله‌ها به فشار هوای ورودی بستگی دارد. قطر مسیرهای هوایی از نای یا نایژک کاهش و بافت ماهیچه‌ای دیواره افزایش می‌یابد.

مجرای آلوئولی در انتهای نایژک‌ها قرار دارد که به کیسه‌های آلوئولی (هر مجرای حدود ۱۰۰ کیسه) ختم می‌شود. این کیسه‌ها غشای تنفسی پستانداران و ساختار اصلی تبادل گاز‌ها هستند. هر کیسه آلوئولی از ۲۰ تا ۳۰ آلوئول با قطر ۲۰۰ تا ۳۰۰ میکرومتر تشکیل می‌شود که مساحت سطح در دسترس برای انتشار گازهای تنفسی را افزایش می‌دهند. به علاوه هر کیسه آلوئولی با شبکه مویرگی گسترده‌ای احاطه شده است که بین سیستم گردش خون و سیستم تنفسی را ارتباط برقرار می‌کنند.

تنفس این جانوران از دو مرحله ورود هوا به ریه و تبادل گازها در آلوئول تشکیل می‌شود. افزایش حجم ریه به‌وسیله انقباض ماهیچه‌های بین دنده‌ای و دیافراگم سبب ورود هوا بر اساس اختلاف فشار گاز از اتمسفر به ریه می‌شود. همچنین در بازدم ماهیچه‌های بین دنده‌ای و دیافراگم به حالت استراحت برمی‌گردند و حجم قفسه سینه کاهس می‌یابد. در این وضعیت هوا با فشار از مسیرهای تنفسی خارج می‌شود. تبادل گازها بین آلوئول و مویرگ مثل تبادل گازها در سایر جانوران به‌وسیله انتشار ساده اکسیژن (در آلوئول بیشتر) و دی‌اکسید کربن (در خون بیشتر) از عرض غشای تک‌لایه آلوئول (غشای تنفسی) انجام می‌شود. پس از تبادل گازها، خون با اکسیژن بیشتر به‌وسیله سیاهرگ ششی به دهلیز چپ قلب منتقل و با انقباض بطنی به سایر بافت‌ها و اندام‌ها فرستاده می‌شود.

هوای تنفسی پستانداران تنها از گازها تشکیل نشده است. بسیاری از ذرات معلق، گردوغبار، باکتری‌ها و ویروس‌های همراه این گازها وارد سیستم تنفسی می‌شوند که سلامتی جانور را تهدید می‌کنند. به همین دلیل سیستم تنفسی پستانداران مجهز به مکانیسم‌هایی است که از ورود این پاتوژن‌ها به بخش‌های داخلی بدن جلوگیری کند. غشای مخاطی و مخاط ترشح شده به‌وسیله آن، اولین سد دفاعی سیستم ایمنی در برابر این پاتوژن‌ها است. موکوز یا مخاط ماده‌ای لزج و چسنده از پروتئین موسین است که سطح سلول‌های پوششی بینی تا نایژک‌ها را می‌پوشاند و پاتوژن‌ها را به دام می‌اندازد. حرکت مژک‌های سطحی سلول‌های مخاطی (سلول‌های جامی یا گابلت) موکوز و پاتوژن به دام افتاده را به سمت حلق منتقل می‌کند تا به وسیله بلع وارد دستگاه گوارش و تجزیه یا از راه دهان و بینی خارج شود.

ماکروفاژهای مستقر در آلوئول یکی دیگر از سدهای دفاعی سیستم تنفسی پستانداران در برابر پاتوژن‌های همراه هوا است. این سلول‌ها پاتوژن‌هایی که از سد مخاطی بخش‌های بالاتر عبور کرده‌اند را با فرایند فاگوسیتوز، آزاد کردن آنزیم لیزوزوم، پپتیدهای ضدمیکروبی و اکسیژن فعال، حذف و از بدن محافظت می‌کند.

سوالات متداول

در این بخش به تعدادی از سولات متدوال پیرامون تنوع تبادلات گازی پاسخ می‌دهیم.

فیلم آموزش بافت شناسی دستگاه های گوارش و تنفس در فرادرس

کلیک کنید

تفاوت اصلی سیستم تنفسی پرندگان و سایر مهره داران چیست ؟

پرندگان ازجمله مهره‌دارانی هستند که به تولید انرژی زیادی نیاز دارند. انقباض ماهیچه‌های پروازی این موجودات به سنتز ATP و سنتز ATP به دریافت اکسيژن کافی بستگی دارد. به همین دلیل سیستم تنفسی این مهره‌داران از کیسه‌های هوایی بسیاری (۹ کیسه هوایی) تشکیل شده است که به ورود حجم بیشتر هوا در هر دم کمک می‌کند. به علاوه مسیر هوا در سیستم تنفس این مهره‌داران یک‌طرفه است و هوای دم و بازدم وارد کیسه‌های متفاوتی می‌شوند. به علاوه هر چرخه تنفسی در این موجودات با دو دم و دو بازدم تکمیل می‌شود.

تفاوت شش و آبشش چیست ؟

شش و آبشش دو اندام تنفسی مختلفی هستند که علاوه بر ساختار برای زیستگاه‌های متفاوت تکامل یافته‌اند. شش یکی از اندام‌های تنفسی جانوران خشکی (خزندگان، پرندگان، پستانداران و دوزیستان) و آبشش اندام تنفسی جانوران آبزی (ازجمله ماهی) است. آبشش خارج از بدن جانور، اما شش در قفسه سینه و داخل بدن جانور قرار دارد.

جمع بندی

در این مطلب توضیح دادیم که بسیاری از بی‌مهرگان و مهره‌داران برای انجام فعالیت‌های خود و تولید انرژی در سلول‌ها نیاز به دریافت اکسیژن دارند و دی‌اکسید کربن تولید شده در این فرایندها باید از سلول و بدن جانور خارج شود. همچنین آموختیم می‌توان تنوع تبادلات گازی را یکی از مکانیسم‌های سازگاری جانوران با محیط در نظر گرفت که یک ویژگی مشترک در آن وجود دارد. در تمام جانوران بی‌مهره و مهره‌دار، تبادلات گازی فرایند انتشار گازهای اکسیژن و دی اکسید کربن از یک غشای نیمه‌تروا و بر اساس اختلاف شیب غلظت انجام می‌شود و تنوع تبادلات گازی به اندام‌ها و بافت‌هایی که هوا را به این غشا می‌رسانند و مکانیسم‌های تنظیم تبادل گازها بستگی دارد.