Αναπνευστικό σύστημα — Δομή, λειτουργία και ανταλλαγή αερίων

Το αναπνευστικό σύστημα είναι το σύστημα του σώματος που φέρνει οξυγόνο στον οργανισμό και απομακρύνει το διοξείδιο του άνθρακα. Ο αέρας κινείται μέσα από τους αεραγωγούς προς τους πνεύμονες, αλλά η ανταλλαγή αερίων γίνεται κυρίως στις κυψελίδες, τους μικρούς αεροφόρους σάκους όπου ο αέρας και το αίμα έρχονται πολύ κοντά. Αυτή είναι η βασική ιδέα που χρειάζονται πρώτα οι περισσότεροι μαθητές.

Μια ακόμη διάκριση είναι σημαντική: η αναπνοή σημαίνει την κίνηση του αέρα μέσα και έξω από το σώμα, ενώ η κυτταρική αναπνοή είναι η διαδικασία που χρησιμοποιούν τα κύτταρα για να απελευθερώνουν ενέργεια. Το αναπνευστικό σύστημα υποστηρίζει την κυτταρική αναπνοή, αλλά δεν είναι το ίδιο πράγμα.

Ποια είναι η λειτουργία του αναπνευστικού συστήματος;

Το αναπνευστικό σύστημα έχει τρεις βασικές λειτουργίες:

• μεταφέρει αέρα μέσα και έξω από τους πνεύμονες
• ανταλλάσσει οξυγόνο και διοξείδιο του άνθρακα μεταξύ αέρα και αίματος
• βοηθά στη ρύθμιση της χημείας του αίματος ελέγχοντας πόσο διοξείδιο του άνθρακα απομακρύνεται

Αυτές οι λειτουργίες συνδέονται μεταξύ τους. Τα κύτταρα χρειάζονται οξυγόνο για την αερόβια κυτταρική αναπνοή και παράγουν διοξείδιο του άνθρακα ως άχρηστο προϊόν. Το αναπνευστικό σύστημα βοηθά να διατηρούνται και τα δύο αέρια σε χρήσιμα επίπεδα, συνεργαζόμενο στενά με το κυκλοφορικό σύστημα.

Δομή του αναπνευστικού συστήματος

Μύτη, στόμα, φάρυγγας και λάρυγγας

Ο αέρας συνήθως εισέρχεται από τη μύτη ή το στόμα. Οι ρινικές κοιλότητες βοηθούν στο να φιλτράρεται, να θερμαίνεται και να υγραίνεται πριν περάσει από τον φάρυγγα και τον λάρυγγα προς την τραχεία.

Σε αυτό το στάδιο, το σύστημα κυρίως μεταφέρει και προετοιμάζει τον αέρα, όχι δεν ανταλλάσσει αέρια.

Τραχεία, βρόγχοι και βρογχιόλια

Η τραχεία μεταφέρει τον αέρα προς το θώρακα. Διακλαδίζεται στους βρόγχους, οι οποίοι διακλαδίζονται ξανά σε μικρότερα βρογχιόλια μέσα στους πνεύμονες.

Αυτοί οι σωλήνες σχηματίζουν την κύρια οδό του αέρα. Είναι σημαντικοί επειδή ο φρέσκος αέρας πρέπει να φτάσει στις κυψελίδες για να λειτουργήσει η ανταλλαγή αερίων.

Πνεύμονες και κυψελίδες

Οι πνεύμονες περιέχουν εκατομμύρια κυψελίδες. Κάθε κυψελίδα έχει πολύ λεπτό τοίχωμα και βρίσκεται δίπλα σε μικροσκοπικά αιμοφόρα αγγεία που λέγονται τριχοειδή. Έτσι, το οξυγόνο και το διοξείδιο του άνθρακα έχουν να διασχίσουν μόνο πολύ μικρή απόσταση.

Εδώ γίνεται το μεγαλύτερο μέρος της ανταλλαγής αερίων. Το οξυγόνο μετακινείται από τον αέρα των κυψελίδων στο αίμα και το διοξείδιο του άνθρακα μετακινείται από το αίμα στις κυψελίδες.

Διάφραγμα και αναπνευστικοί μύες

Η αναπνοή εξαρτάται από τη δράση των μυών. Το διάφραγμα είναι ο κύριος μυς της ήρεμης αναπνοής. Όταν συσπάται, η θωρακική κοιλότητα διαστέλλεται και ο αέρας εισέρχεται στους πνεύμονες. Όταν χαλαρώνει, οι πνεύμονες επανέρχονται και ο αέρας βγαίνει προς τα έξω.

Κατά την πιο έντονη αναπνοή, όπως στην άσκηση, και άλλοι μύες μπορούν να βοηθήσουν ώστε ο θώρακας να διασταλεί πιο δυνατά.

Πού γίνεται η ανταλλαγή αερίων και πώς λειτουργεί

Η ανταλλαγή αερίων γίνεται κυρίως στην επιφάνεια μεταξύ κυψελίδων και τριχοειδών. Η βασική ιδέα είναι απλή: τα αέρια διαχέονται από μια περιοχή όπου έχουν μεγαλύτερη μερική πίεση προς μια περιοχή όπου έχουν μικρότερη μερική πίεση.

Σε υγιείς πνεύμονες, ο αέρας των κυψελίδων έχει περισσότερο διαθέσιμο οξυγόνο από το αίμα που φτάνει από τους ιστούς του σώματος, οπότε το οξυγόνο διαχέεται στο αίμα. Αυτό το αίμα που επιστρέφει έχει περισσότερο διοξείδιο του άνθρακα από τον αέρα των κυψελίδων, οπότε το διοξείδιο του άνθρακα διαχέεται προς την αντίθετη κατεύθυνση και εκπνέεται.

Σημασία έχουν τόσο η ροή του αέρα όσο και η ροή του αίματος. Αν ο αέρας φτάνει στις κυψελίδες αλλά η ροή του αίματος είναι φτωχή, η ανταλλαγή αερίων περιορίζεται. Αν το αίμα φτάνει στις κυψελίδες αλλά δεν φτάνει φρέσκος αέρας, η ανταλλαγή αερίων επίσης περιορίζεται.

Λυμένο παράδειγμα: γιατί η αναπνοή επιταχύνεται κατά την άσκηση

Φαντάσου έναν μαθητή που ξεκινά ένα σύντομο σπριντ.

Οι μύες των ποδιών χρησιμοποιούν οξυγόνο πιο γρήγορα και παράγουν διοξείδιο του άνθρακα πιο γρήγορα. Το αίμα που επιστρέφει από αυτούς τους μύες μεταφέρει επιπλέον διοξείδιο του άνθρακα στους πνεύμονες. Ως απάντηση, η αναπνοή συνήθως γίνεται πιο γρήγορη και πιο βαθιά, φέρνοντας περισσότερο φρέσκο αέρα στις κυψελίδες και απομακρύνοντας το διοξείδιο του άνθρακα πιο γρήγορα.

Το βασικό σημείο δεν είναι μόνο ότι η άσκηση σε κάνει να λαχανιάζεις. Δείχνει ότι το αναπνευστικό και το κυκλοφορικό σύστημα προσαρμόζονται μαζί ώστε να καλύπτουν τις ανάγκες των ιστών. Αν αυξηθούν οι ανάγκες των μυών, τόσο ο αερισμός όσο και η μεταφορά μέσω του αίματος πρέπει να ακολουθήσουν.

Συχνά λάθη που κάνουν οι μαθητές

Να νομίζουν ότι η αναπνοή και η κυτταρική αναπνοή είναι ακριβώς το ίδιο

Στη βιολογία, η αναπνοή ή αερισμός σημαίνει την κίνηση του αέρα μέσα και έξω από τους πνεύμονες. Η κυτταρική αναπνοή είναι η χημική διαδικασία που χρησιμοποιούν τα κύτταρα για να απελευθερώνουν ενέργεια. Το αναπνευστικό σύστημα υποστηρίζει αυτή τη διαδικασία, αλλά δεν την αντικαθιστά.

Να υποθέτουν ότι η ανταλλαγή αερίων γίνεται στην τραχεία ή στους βρόγχους

Η τραχεία, οι βρόγχοι και τα βρογχιόλια κυρίως μεταφέρουν αέρα. Το μεγαλύτερο μέρος της ανταλλαγής αερίων γίνεται στις κυψελίδες, όπου ο αέρας και το αίμα χωρίζονται από ένα πολύ λεπτό φράγμα.

Να θεωρούν το οξυγόνο ως το μόνο σημαντικό αέριο

Το διοξείδιο του άνθρακα είναι εξίσου σημαντικό για την κατανόηση του συστήματος. Η απομάκρυνσή του είναι απαραίτητη και οι αλλαγές στα επίπεδά του επηρεάζουν επίσης το pH του αίματος.

Να ξεχνούν τον ρόλο της κυκλοφορίας

Οι πνεύμονες μπορούν να ανταλλάσσουν αέρια με το αίμα, αλλά το αίμα πρέπει και πάλι να μεταφέρει το οξυγόνο στους ιστούς και να επιστρέφει το διοξείδιο του άνθρακα. Το αναπνευστικό σύστημα και το κυκλοφορικό σύστημα λειτουργούν ως ένα συνδεδεμένο ζεύγος.

Πότε χρησιμοποιείς αυτή την έννοια στη βιολογία

Θα χρησιμοποιήσεις αυτή την ιδέα στην ανατομία, τη φυσιολογία, την επιστήμη της άσκησης και την ιατρική. Βοηθά να εξηγηθεί γιατί η στένωση των αεραγωγών δυσκολεύει την αναπνοή, γιατί η πνευμονική νόσος μπορεί να μειώσει την παροχή οξυγόνου και γιατί η άσκηση αλλάζει τόσο τον ρυθμό της αναπνοής όσο και τον καρδιακό ρυθμό.

Συνδέεται επίσης άμεσα με την ανταλλαγή αερίων, τα τριχοειδή, την ομοιόσταση και την κυτταρική αναπνοή. Μόλις κατανοήσεις τη διαδρομή του αέρα και τον ρόλο των κυψελίδων, πολλά επόμενα θέματα γίνονται πιο εύκολα.

Δοκίμασε τη δική σου ιχνηλάτηση

Ακολούθησε ένα μόριο οξυγόνου από τη μύτη ή το στόμα προς την τραχεία, τους βρόγχους, τα βρογχιόλια, την κυψελίδα, το αίμα και έπειτα ένα μυϊκό κύτταρο. Έπειτα ακολούθησε ένα μόριο διοξειδίου του άνθρακα πίσω από την αντίθετη διαδρομή. Αν μπορείς να ακολουθήσεις και τις δύο διαδρομές χωρίς να παραλείψεις τις κυψελίδες, τότε το αναπνευστικό σύστημα συνήθως γίνεται ξεκάθαρο.