خلاصه درس فصل ۳ زیست دهم؛ درسنامه و نکات مهم

وقتی نفس می‌کشی، هوایی که بیرون می‌دهی از نظر ترکیب دقیقاً همان هوایی نیست که وارد کرده‌ای. هوای دمی اکسیژن بیشتری دارد و هوای بازدمی کربن دی‌اکسید بیشتری. پس هنگام عبور هوا از دستگاه تنفس، تبادل گاز رخ می‌دهد؛ موضوع فقط جابه‌جایی هوا یا خنک شدن قلب نیست، برخلاف تصور ارسطو. حواست به واژهٔ «بیشتر» باشد: این مقایسه نمی‌گوید که بازدم هیچ اکسیژنی ندارد یا هوای دمی کاملاً بدون کربن دی‌اکسید است. حالا باید دنبال پاسخ این پرسش برویم: گازها بین هوا و کجا جابه‌جا می‌شوند؟

شش‌ها مستقیماً کنار همهٔ یاخته‌های بدن نیستند؛ خون واسطهٔ جابه‌جایی گازهاست. دستگاه گردش خون، خونِ برگشته از اندام‌ها را به شش‌ها می‌آورد. این خون که «تیره» نامیده می‌شود، نسبت به خونِ خارج‌شونده از شش‌ها اکسیژن کمتر و کربن دی‌اکسید بیشتری دارد. در شش‌ها، خون کربن دی‌اکسید از دست می‌دهد و اکسیژن می‌گیرد و «روشن» می‌شود. سپس به اندام‌ها می‌رود تا اکسیژن را به یاخته‌ها برساند و کربن دی‌اکسید را از آن‌ها دور کند. مثل یک سامانهٔ حمل‌ونقل، مسیر رفت و برگشت هر دو لازم‌اند؛ خون تیره نیز به معنی خونِ کاملاً بدون اکسیژن نیست.

رسیدن مواد مغذی به یاخته کافی نیست؛ انرژی آن‌ها باید به شکلی تبدیل شود که یاخته بتواند از آن استفاده کند. در تنفس یاخته‌ای، انرژی ماده‌ای مانند گلوکز به انرژی ذخیره‌شده در $\mathrm{ATP}$ تبدیل می‌شود. واکنش خلاصهٔ کتاب را این‌طور بخوان:

$\text{گلوکز}+\text{اکسیژن}+\mathrm{ADP}+\text{فسفات}\rightarrow\text{کربن دی‌اکسید}+\text{آب}+\mathrm{ATP}$

اکسیژن در سمت مواد مصرفی است و کربن دی‌اکسید در سمت فرآورده‌ها. پس نیاز ما به اکسیژن به کاری مربوط است که در یاخته‌ها انجام می‌شود. نفس کشیدن با تنفس یاخته‌ای یکی نیست: اولی ورود و خروج هواست؛ دومی فرایند تبدیل انرژی در یاخته است که به کمک دستگاه تنفس و گردش خون پشتیبانی می‌شود.

حالا سراغ سوی دیگر ماجرا برویم: چرا کربن دی‌اکسید باید دفع شود؟ این گاز می‌تواند با آب واکنش دهد و کربنیک اسید بسازد. در نتیجه، $\mathrm{pH}$ کاهش می‌یابد؛ یعنی محیط اسیدی‌تر می‌شود. این تغییر می‌تواند ساختار پروتئین‌ها و در پی آن عملکردشان را مختل کند. چون بسیاری از کارهای یاخته را پروتئین‌ها انجام می‌دهند، پیامد این اختلال گسترده است. زنجیره را به یاد بسپار: تجمع کربن دی‌اکسید، کاهش $\mathrm{pH}$، تغییر ساختار و اختلال عملکرد پروتئین‌ها. پس دفع این گاز یک کار فرعی نیست؛ برای حفظ شرایط مناسب فعالیت یاخته‌ها ضروری است.

چگونه می‌توان تفاوت کربن دی‌اکسیدِ هوای دمی و بازدمی را بررسی کرد؟ فعالیت کتاب از معرّف کمک می‌گیرد؛ ماده‌ای که در حضور کربن دی‌اکسید تغییر قابل مشاهده‌ای پیدا می‌کند. آب آهکِ بی‌رنگ، شیری‌رنگ می‌شود و برم تیمول بلوی رقیق از آبی به زرد تغییر می‌کند. اگر مقدار معرّف و شرایط عبور هوا یکسان باشد، انتظار داریم معرّفِ مسیر بازدم زودتر تغییر کند. تغییر دیرترِ معرّف در مسیر دم هم نکتهٔ مهمی دارد: هوای دمی نیز کربن دی‌اکسید دارد، اما مقدارش کمتر است. برای فهم نتیجه، لازم نیست خودت در خانه آزمایش را اجرا کنی؛ فعلاً شواهد را تحلیل کن.

هوایی که وارد بینی می‌شود، هنوز برای تبادل گاز با خون آماده نیست: ممکن است سرد، خشک یا همراه گردوغبار باشد. بخش هادی از بینی تا نایژک انتهایی، هم مسیر رفت‌وبرگشت هواست و هم آن را آماده می‌کند.

موهای ابتدای بینی جلوی بخشی از ناخالصی‌ها را می‌گیرند. جلوتر، ترشحات مخاطی ذرات را به دام می‌اندازند و مواد ضدمیکروبی هم دارند. مژک‌ها این ترشحات را به طرف حلق می‌رانند؛ مواد به‌دام‌افتاده یا خارج می‌شوند یا پس از بلع، با شیرهٔ معده روبه‌رو می‌شوند.

ترشحات، هوا را مرطوب می‌کنند تا گازها بتوانند در آب حل شوند و مبادله شوند. شبکهٔ رگی نزدیک سطح درونی بینی نیز هوا را گرم می‌کند؛ نزدیکی این رگ‌ها به سطح، خون‌ریزی آسان‌تر بینی را هم توضیح می‌دهد.

مسیر را مثل شاخه‌های یک درخت دنبال کن: هوا از بینی یا دهان به حلق می‌رسد، سپس از حنجره وارد نای می‌شود. حلق راه مشترک هوا و غذاست؛ اما در انتهای آن، حنجره جلو و مری پشت قرار دارد. برچاکنای هنگام بلع مانع ورود غذا به مسیر تنفس می‌شود.

غضروف حنجره و حلقه‌های نعل‌اسبی نای، راه هوا را باز نگه می‌دارند. سمت باز حلقه‌های نای رو به مری است؛ بنابراین عبور لقمهٔ بزرگ در مری با مانع سخت غضروفی روبه‌رو نمی‌شود.

نای به دو نایژهٔ اصلی و سپس شاخه‌های باریک‌تر تقسیم می‌شود. با باریک‌تر شدن نایژه‌ها، غضروف کمتر می‌شود؛ شاخهٔ بدون غضروف را نایژک می‌نامیم. نایژک‌ها با تنگ و گشاد شدن، مقدار عبور هوا را تنظیم می‌کنند. نایژک انتهایی، آخرین قسمت بخش هادی است.

برای تشخیص آغاز بخش مبادله‌ای، دنبال حبابک بگرد. نایژکی که روی آن حبابک دیده می‌شود، نایژک مبادله‌ای است. انتهای آن به مجموعه‌هایی خوشه‌مانند از حبابک‌ها می‌رسد؛ هر خوشه، یک کیسهٔ حبابکی است.

مخاط مژک‌دار در طول نایژک مبادله‌ای پایان می‌یابد؛ پس خود حبابک‌ها این پوشش را ندارند. در عوض، درشت‌خوارهای متحرک با بیگانه‌خواری، ذرات و میکروب‌های رسیده به حبابک را از بین می‌برند.

سطح رو به هوای حبابک با لایه‌ای نازک از آب پوشیده است. کشش سطحی این آب در برابر باز شدن حبابک مقاومت می‌کند. سورفاکتانت یا عامل سطح‌فعال این کشش را کاهش می‌دهد و باز شدن را آسان‌تر می‌کند. به همین دلیل، کمبود آن در بعضی نوزادان نارس، نفس کشیدن را دشوار می‌کند؛ مشکل فقط کوچک بودن بدن نوزاد نیست.

حبابک و خون باید بسیار به هم نزدیک باشند تا گازها راحت‌تر میان آنها جابه‌جا شوند. مویرگ‌های فراوان دور حبابک‌ها قرار گرفته‌اند. اکسیژن برای رسیدن از هوای حبابک به خون، باید از دیوارهٔ حبابک و دیوارهٔ مویرگ بگذرد؛ کربن‌دی‌اکسید مسیر مخالف را طی می‌کند.

بخش عمدهٔ دیوارهٔ حبابک را یاخته‌های نوع اول، یعنی یاخته‌های سنگفرشی نازک و فراوان، می‌سازند. پوشش مویرگ هم سنگفرشی یک‌لایه است. در بسیاری از نقاط، این دو پوشش غشای پایهٔ مشترک دارند؛ درست مثل کوتاه‌تر کردن راه میان دو همسایه، فاصلهٔ انتشار کم می‌شود.

یاخته‌های نوع دوم کمترند و سورفاکتانت ترشح می‌کنند. درشت‌خوارها را با این دو نوع اشتباه نگیر: آنها در حبابک حضور دارند، اما جزء یاخته‌های دیوارهٔ آن دسته‌بندی نمی‌شوند.

ورود اکسیژن به خون پایان کار نیست؛ گردش خون باید آن را به یاخته‌ها برساند و کربن‌دی‌اکسید را برگرداند. فقط مقدار کمی از این گازها به‌صورت محلول در خوناب حمل می‌شود.

بیشتر اکسیژن به هموگلوبینِ گویچه‌های قرمز متصل می‌شود. در شش‌ها، غلظت اکسیژن هوای حبابک از خون ورودی بیشتر است و اکسیژن به هموگلوبین می‌پیوندد. کنار بافت‌های مصرف‌کنندهٔ اکسیژن، از آن جدا می‌شود. مقداری کربن‌دی‌اکسید هم در بافت‌ها به هموگلوبین متصل و در شش‌ها جدا می‌شود؛ اما این راه اصلی حمل آن نیست.

بیشتر کربن‌دی‌اکسید به شکل یون بیکربنات جابه‌جا می‌شود. در گویچهٔ قرمز، آنزیم کربنیک انیدراز ترکیب کربن‌دی‌اکسید و آب را تسهیل می‌کند. کربنیک‌اسید حاصل، سریع به یون بیکربنات و یون هیدروژن تجزیه می‌شود. بیکربنات وارد خوناب می‌شود؛ در شش‌ها، با برگشت این فرایندها کربن‌دی‌اکسید آزاد می‌شود و به هوای حبابک می‌رود.

کربن مونوکسید با کربن‌دی‌اکسید فرق دارد: جای اتصال اکسیژن روی هموگلوبین را اشغال می‌کند و به‌آسانی جدا نمی‌شود. پس حتی با باز بودن راه هوا، ظرفیت حمل اکسیژن خون می‌تواند کاهش یابد.

دستت را روی پایین قفسهٔ سینه بگذار و آرام نفس بکش؛ حرکت آن بخشی از تهویهٔ ششی، یعنی دم و بازدم است.

شش‌ها روی ماهیچهٔ میان‌بند قرار دارند. شش چپ به‌علت همسایگی با قلب کمی کوچک‌تر است و کیسه‌های حبابکی فراوان، به شش‌ها حالت اسفنجی می‌دهند. هر شش را پردهٔ جنب دولایه می‌پوشاند؛ یک لایه به شش و دیگری به سطح داخلی قفسهٔ سینه متصل است. فشار مایع میان این لایه‌ها از فشار جو کمتر است و به جلوگیری از جمع‌شدن کامل شش کمک می‌کند. سوراخ‌شدن قفسهٔ سینه می‌تواند این وضعیت را برهم بزند و باعث جمع‌شدن شش شود.

در دم، میان‌بند منقبض و مسطح می‌شود؛ ماهیچه‌های بین‌دنده‌ای خارجی نیز دنده‌ها را بالا و جلو می‌برند. قفسهٔ سینه بزرگ‌تر می‌شود، شش‌ها همراه آن باز می‌شوند، فشار هوای درونشان کاهش می‌یابد و هوا وارد می‌شود. در تنفس آرام، میان‌بند نقش اصلی دارد.

در بازدم آرام، این ماهیچه‌ها استراحت می‌کنند و شش‌ها به کمک ویژگی کشسانی به وضعیت پیشین برمی‌گردند؛ حجم کم می‌شود و هوا بیرون می‌رود. در دم عمیق، ماهیچه‌های گردن هم کمک می‌کنند؛ در بازدم عمیق، ماهیچه‌های بین‌دنده‌ای داخلی و شکمی منقبض می‌شوند.

نفس آرام با نفس عمیق، مقدار یکسانی هوا جابه‌جا نمی‌کند. دم‌سنج حجم‌های تنفسی را اندازه می‌گیرد و نمودار آن دم‌نگاره نام دارد؛ بررسی این نمودار به تشخیص بیماری‌های ششی کمک می‌کند.

برای شناخت حجم‌ها، یک نفس معمولی را نقطهٔ شروع بگیر:

• حجم جاری: هوای جابه‌جاشده در یک دم یا بازدم عادی؛ حدود $500\,\mathrm{mL}$.
• ذخیرهٔ دمی: هوایی که پس از دم عادی، با تلاش بیشتر می‌توانی وارد کنی.
• ذخیرهٔ بازدمی: هوایی که پس از بازدم عادی، با تلاش بیشتر می‌توانی بیرون بدهی.
• حجم باقی‌مانده: هوایی که حتی پس از بازدم عمیق هم خارج نمی‌شود؛ به بازماندن حبابک‌ها و ادامهٔ تبادل گازها بین دو تنفس کمک می‌کند.

هوای مرده مفهوم دیگری است: بخشی از هوای دمی، حدود $150\,\mathrm{mL}$، در بخش هادی می‌ماند و به بخش مبادله‌ای نمی‌رسد. پس «مرده» یعنی نرسیدن به محل تبادل، نه خارج‌نشدن با بازدم عمیق.

برای محاسبهٔ حجم تنفسی در دقیقه، حجم جاری را در تعداد تنفس در دقیقه ضرب می‌کنیم. مقدار حجم‌های تنفسی در افراد سالم به سن و جنسیت هم بستگی دارد.

حجم یک بخش مشخص از هوای تنفسی است، اما ظرفیت از جمع چند حجم ساخته می‌شود. برای اینکه نام‌ها را حفظ نکنی، مسیر هوا را تصور کن: پس از عمیق‌ترین دم، تا جای ممکن بازدم می‌کنی. کل هوایی که در این حرکت بیرون می‌آید، ظرفیت حیاتی است.

این هوا سه بخش دارد: ذخیرهٔ دمی، حجم جاری و ذخیرهٔ بازدمی. حجم باقی‌مانده جزو ظرفیت حیاتی نیست، چون نمی‌توانی آن را با بازدم بیرون بدهی.

ظرفیت تام یعنی بیشترین هوایی که شش‌ها می‌توانند در خود جای دهند؛ پس علاوه بر ظرفیت حیاتی، حجم باقی‌مانده را هم شامل می‌شود.

در آزمایش ظرف وارونهٔ پر از آب، اگر پس از یک دم بسیار عمیق تا حد امکان در لوله فوت کنی، حجم هوای خارج‌شده نمایندهٔ ظرفیت حیاتی است، نه ظرفیت تام. دلیلش ساده است: هنوز مقداری هوا در شش‌ها مانده است.

دستگاه تنفس فقط هوا جابه‌جا نمی‌کند؛ در تولید صدا و دفاع از مجاری تنفسی هم نقش دارد.

در حنجره، چین‌خوردگی‌هایی از مخاط، پرده‌های صوتی را می‌سازند. این پرده‌ها صدا تولید می‌کنند، اما برای تبدیل صدا به گفتار، بخش‌هایی مانند لب‌ها و دهان به آن شکل می‌دهند. پس «تولید صدا» و «شکل‌دادن به صدا» یک کار نیستند.

وقتی ذرات خارجی یا گازهای نامطلوب وارد مجاری تنفسی شوند، سرفه یا عطسه به بیرون‌راندن آن‌ها کمک می‌کند. در سرفه، هوا با فشار از دهان خارج می‌شود؛ در عطسه، خروج هوا از بینی و دهان است.

مصرف دخانیات یاخته‌های مژک‌دار مخاط تنفسی را از بین می‌برد. وقتی این مسیر پاک‌سازی آسیب ببیند، سرفه برای دفع مواد خارجی اهمیت بیشتری پیدا می‌کند؛ به همین دلیل، سرفه‌های مکرر در این افراد دیده می‌شود.

وقتی خواب هستی یا حواست به درس است، لازم نیست برای هر نفس تصمیم بگیری. مرکز تنفس در بصل‌النخاع فرمان انقباض میان‌بند و ماهیچه‌های بین‌دنده‌ای خارجی را صادر می‌کند و دم آغاز می‌شود.

مرکز دیگری در پل مغز بر مرکز بصل‌النخاع اثر می‌گذارد و دم را پایان می‌دهد؛ به این ترتیب می‌تواند مدت دم را تنظیم کند. پس نقش این دو مرکز یکسان نیست: یکی فرمان آغاز انقباض ماهیچه‌های دمی را می‌دهد و دیگری در پایان‌دادن به دم نقش دارد.

بعد از پایان دم، برای بازدم آرام پیام عصبی جداگانه لازم نیست؛ ماهیچه‌ها به استراحت برمی‌گردند و ویژگی کشسانی شش‌ها به خروج هوا کمک می‌کند. این حکم را به بازدم عمیق تعمیم نده، چون در آن ماهیچه‌های دیگری فعال می‌شوند.

ترکیب گازهای خون هم در تنظیم تنفس اثر دارد: افزایش کربن‌دی‌اکسید و کاهش اکسیژن خون از عوامل مؤثرند. بنابراین تنظیم تنفس فقط به تصمیم آگاهانهٔ ما وابسته نیست.

برای تبادل گاز، همیشه شش یا آبشش لازم نیست. در تک‌یاخته‌ای‌هایی مثل پارامسی و جانورانی مثل هیدر، یاخته‌ها می‌توانند با محیط اطراف تبادل گاز کنند؛ بنابراین اندام تنفسی اختصاصی ندارند. در بسیاری از جانوران دیگر، ساختارهای ویژه واسطۀ ارتباط یاخته‌ها با محیط هستند.

یکی از این راه‌ها، تنفس نایدیسی در حشرات است. نایدیس‌ها را مثل شبکۀ لوله‌هایی تصور کن که از راه منفذهای سطح بدن به بیرون باز می‌شوند و درون بدن پیوسته شاخه‌شاخه می‌شوند. شاخه‌های انتهایی کنار یاخته‌ها قرار دارند، انتهایشان بسته است و مایعی دارند که تبادل گاز را ممکن می‌کند.

نکتۀ مهم این است که این شبکه، گازها را تا نزدیکی یاخته‌ها می‌رساند؛ پس در حشرات، دستگاه گردش مواد مسئول حمل گازهای تنفسی نیست. این ویژگی را با روش‌های بعدی مقایسه کن.

در تنفس پوستی، پوست فقط پوشش بدن نیست؛ محل تبادل گاز با محیط هم هست. زیر پوست، مویرگ‌های بسیاری قرار دارند. گازها از پوست عبور می‌کنند و میان محیط و خون مبادله می‌شوند؛ بنابراین برخلاف حشرات، اینجا رگ‌های خونی در مسیر انتقال گازها حضور دارند.

سطح این پوست باید مرطوب بماند تا تبادل گاز امکان‌پذیر باشد. پس هنگام فکر کردن به تنفس پوستی، دو ویژگی را کنار هم به یاد بیاور: پوست مرطوب و مویرگ‌های فراوان زیر آن.

کرم خاکی نمونه‌ای از جانوران دارای این روش است. در دوزیستان هم پوست در تنفس نقش دارد؛ اما این به معنی آن نیست که همۀ دوزیستان فقط از پوست تنفس می‌کنند. کمی جلوتر می‌بینی که قورباغه از شش نیز استفاده می‌کند.

آبشش سطحی برای تبادل گاز با آب فراهم می‌کند، اما در همۀ جانوران شکل یکسانی ندارد. در ستارۀ دریایی، آبشش‌ها به صورت برآمدگی‌های کوچک و پراکندۀ پوست دیده می‌شوند. در دیگر بی‌مهرگان، آبشش‌ها در بخش‌های مشخصی از بدن متمرکزند. ماهی‌ها و نوزادان دوزیستان هم آبشش دارند.

در آبشش ماهی، آب از کنار تیغه‌های آبششی می‌گذرد و خون در مویرگ‌های آنها حرکت می‌کند. ویژگی مهم این است که جهت حرکت آب و خون مخالف یکدیگر است. برای تصورش، دو مسیر کنار هم را در نظر بگیر که حرکت در یکی به سمت راست و در دیگری به سمت چپ است.

این آرایش با تبادل گازی کارآمد در آبشش همراه است. هنگام خواندن شکل آبشش، فقط نام بخش‌ها را حفظ نکن؛ جهت پیکان‌های آب و خون را هم با یکدیگر مقایسه کن.

تنفس ششی فقط مخصوص مهره‌داران نیست؛ حلزون خشکی‌زی هم با شش تنفس می‌کند. در مهره‌داران شش‌دار، سازوکارهای تهویه‌ای کمک می‌کنند هوای تازه در مجاورت سطح تبادل گاز فراهم شود. توجه کن: تهویه، جابه‌جایی هواست؛ تبادل گاز، عبور گازها از سطح مبادله‌ای است.

برای ورود هوا به شش، دو روش را مقایسه کن:

• قورباغه، فشار مثبت: ماهیچه‌های دهان و حلق، هوا را با حرکتی شبیه بلعیدن به درون شش‌ها می‌رانند؛ یعنی هوا به داخل فشار داده می‌شود.
• انسان، فشار منفی: مکش ناشی از فشار منفی قفسۀ سینه باعث ورود هوا می‌شود؛ یعنی هوا به داخل کشیده می‌شود.

پرندگان هنگام پرواز انرژی زیادی مصرف می‌کنند و به اکسیژن بیشتری نیاز دارند. آنها علاوه بر شش، کیسه‌های هوادار نیز دارند. این ساختارها کارایی تنفس پرندگان را نسبت به پستانداران افزایش می‌دهند؛ پس کیسه‌های هوادار را جایگزین شش تصور نکن، بلکه آنها را در کنار شش به خاطر بسپار.