ข้อมูล

39.2A: แรงดันแก๊สและการหายใจ - ชีววิทยา


ความดันก๊าซในบรรยากาศและร่างกายกำหนดการแลกเปลี่ยนก๊าซ: ทั้ง O2 และCO2 จะไหลจากบริเวณที่มีความกดอากาศสูงไปต่ำ

วัตถุประสงค์การเรียนรู้

  • อธิบายว่าแรงดันแก๊สมีอิทธิพลต่อการไหลของก๊าซในระหว่างการหายใจอย่างไร

ประเด็นสำคัญ

  • ความดันบรรยากาศเป็นผลรวมของความดันบางส่วนทั้งหมดของก๊าซในบรรยากาศ รวมทั้งออกซิเจน คาร์บอนไดออกไซด์ ไนโตรเจน และไอน้ำ
  • ในบรรยากาศ ความดันบางส่วนของออกซิเจนมีค่ามากกว่าความดันบางส่วนของคาร์บอนไดออกไซด์
  • ความดันบางส่วนของออกซิเจนในบรรยากาศนั้นมากกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับปอด ทำให้เกิดการไล่ระดับความดัน สิ่งนี้ทำให้ออกซิเจนไหลจากบรรยากาศเข้าสู่ปอดในระหว่างการหายใจเข้า

คำสำคัญ

  • ความกดอากาศ: ความดันที่เกิดจากน้ำหนักของบรรยากาศเหนือพื้นที่
  • ความดันบางส่วน: ความดัน ส่วนประกอบหนึ่งของส่วนผสมของก๊าซจะส่งผลต่อความดันรวม

แรงดันแก๊สและการหายใจ

กระบวนการทางเดินหายใจสามารถเข้าใจได้ดีขึ้นโดยการตรวจสอบคุณสมบัติของก๊าซ ก๊าซเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระตามการเคลื่อนที่ของพวกมัน ส่งผลให้อนุภาคกระทบกับผนังหลอดเลือดอย่างต่อเนื่อง การชนกันระหว่างอนุภาคก๊าซกับผนังของถังบรรจุทำให้เกิดแรงดันแก๊ส

อากาศเป็นส่วนผสมของก๊าซ: ไนโตรเจนเป็นหลัก (N2; 78.6 เปอร์เซ็นต์), ออกซิเจน (O2; 20.9 เปอร์เซ็นต์), ไอน้ำ (H2โอ; 0.5 เปอร์เซ็นต์) และคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2; 0.04 เปอร์เซ็นต์) ส่วนประกอบก๊าซแต่ละส่วนของส่วนผสมนั้นออกแรงดัน ความดันของก๊าซแต่ละตัวในส่วนผสมคือความดันบางส่วนของก๊าซนั้น ก๊าซในบรรยากาศประมาณ 21 เปอร์เซ็นต์เป็นออกซิเจน อย่างไรก็ตาม คาร์บอนไดออกไซด์พบได้ในปริมาณที่ค่อนข้างน้อย (0.04 เปอร์เซ็นต์); ดังนั้นความดันบางส่วนของออกซิเจนจึงมากกว่าคาร์บอนไดออกไซด์มาก ความดันบางส่วนของก๊าซสามารถคำนวณได้โดย: P = (Patm) (เปอร์เซ็นต์เนื้อหาในส่วนผสม)

NSATM, ความดันบรรยากาศ คือผลรวมของความดันบางส่วนทั้งหมดของก๊าซในบรรยากาศที่รวมเข้าด้วยกัน: Patm = PN2 + PO2 + PH2O + PCO2= 760 มม. ปรอท ความดันบรรยากาศที่ระดับน้ำทะเล 760 มม. ปรอท ดังนั้นความดันบางส่วนของออกซิเจนคือ: PO2 = (760 mm Hg) (0.21) = 160 mm Hg สำหรับคาร์บอนไดออกไซด์: PCO2 = (760 มม. ปรอท) (0.0004) = 0.3 มม. ปรอท บนที่สูง PATMลดลง แต่ความเข้มข้นไม่เปลี่ยนแปลง ความดันบางส่วนลดลงเนื่องจากการลดลงของ PATM .

เมื่อส่วนผสมของอากาศไปถึงปอด ส่วนผสมของอากาศจะอุ่นและทำให้ชื้นภายในโพรงจมูกเมื่อสูดดม ความดันของไอน้ำในปอดไม่ได้เปลี่ยนความดันของอากาศ แต่ต้องรวมอยู่ในสมการความดันบางส่วน สำหรับการคำนวณนี้ แรงดันน้ำ (47 mm Hg) จะถูกลบออกจากความดันบรรยากาศ: 760 mm Hg 47 mm Hg = 713 mm Hg และความดันบางส่วนของออกซิเจนคือ: (760 mm Hg 47 mm Hg) 0.21 = 150 mm ปรอท

ความดันเหล่านี้จะกำหนดการแลกเปลี่ยนก๊าซหรือการไหลของก๊าซในระบบ ออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์จะไหลตามไล่ระดับความดันจากสูงไปต่ำ ดังนั้นการทำความเข้าใจความดันบางส่วนของก๊าซแต่ละชนิดจะช่วยให้เข้าใจว่าก๊าซเคลื่อนที่อย่างไรในระบบทางเดินหายใจ


แล็บ 5: การหายใจของเซลล์

ภาพรวมทั่วไป

"เกี่ยวกับการงอกของถั่ว มีการทดลองสองอย่างเกิดขึ้นที่นี่

การทดลองที่ 1: อัตราการหายใจของถั่วงอกเมื่อเปรียบเทียบกับอัตราการหายใจของถั่วที่ไม่งอกเป็นอย่างไร จำไว้ว่าถั่วที่ไม่งอกนั้นยังมีชีวิตอยู่ แต่เพียงแค่อยู่ในสภาพที่อยู่เฉยๆ ตามที่เพื่อนร่วมรายการคนอื่นๆ อธิบายไปแล้ว

การทดลอง 2: อุณหภูมิมีผลต่ออัตราการหายใจอย่างไร? สำหรับสิ่งนี้ เรากำลังเปรียบเทียบถั่วงอกและถั่วที่ไม่งอกที่อุณหภูมิต่างกันสองแบบ อย่างไรก็ตาม อัตราของถั่วที่ไม่งอกที่อุณหภูมิต่างกันทั้งสองนั้นไม่ได้เปิดเผยมากเกินไป เนื่องจากมันใกล้ศูนย์ในทั้งสองกรณี

ในตอนนี้ เกี่ยวกับลูกปัดแก้ว จุดประสงค์ของการทดลองในส่วนนี้คือการคำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงของความดันในเครื่องช่วยหายใจของเรา ซึ่งเกิดจากปัจจัยอื่นนอกเหนือจากการหายใจด้วยถั่ว เราลบการเปลี่ยนแปลงความดันเหล่านี้ออกจากที่สังเกตได้ในเครื่องวัดการหายใจอื่นๆ เพื่อให้ได้ค่าความต่างของความดันที่ถูกต้อง มีปัจจัยหลายประการที่อาจทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความดันนอกเหนือจากการหายใจของถั่ว (1) การเปลี่ยนแปลงของความดันเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิในระบบระหว่างการทดลอง (2) เมื่อเริ่มการทดลอง มี CO2 อยู่ในเครื่องช่วยหายใจอยู่แล้ว การทำปฏิกิริยากับ KOH จะทำให้ความดันลดลงเล็กน้อยมาก (3) อาจมีปัจจัยอื่นๆ ตามทฤษฎี เช่น ปฏิกิริยาของฝ้ายกับ KOH หรืออะไรก็ตาม การทดลองนี้เรียบง่าย แต่สวยงาม และน่าจะสอนนักเรียนของเราได้มากเกี่ยวกับวิธีตั้งค่าการทดสอบที่มีการควบคุมอย่างถูกต้อง เป็นที่ชื่นชอบส่วนตัวของฉัน "
บ๊อบ กู๊ดแมน,ฮันเตอร์ คอลเลจ ไฮสคูล นครนิวยอร์ก 2/11/99

การปรับเปลี่ยนอุปกรณ์และอุปทาน

เคล็ดลับ: “สำหรับถาด ฉันใช้ถาดพลาสติกขนาดใหญ่มาก สีขาว ซึ่งลึกพอสำหรับการทดลอง ฉันจะตรวจสอบซัพพลายเออร์ในวันจันทร์นี้ นักเรียนบางคนดูเหมือนจะมีปัญหาในการมองเห็นระดับน้ำ ดังนั้นฉันจึงหยิบกระดาษสีต่างๆ แล้วนำมาเคลือบไว้ใต้เครื่องช่วยหายใจเป็นพื้นหลัง น่าสนใจ ที่นักเรียนบางคนไม่ชอบพื้นหลัง และสีอื่น ๆ ดูเหมือนจะไม่มีลวดลายใดๆ เลย การดัดแปลงอย่างหนึ่งที่ฉันทำในห้องทดลองนี้คือ เพื่อเพิ่มเวลาในการปรับสมดุลและดูเหมือนว่าจะให้ผลลัพธ์ที่สม่ำเสมอมากขึ้น ก่อนที่เราจะทำเช่นนี้ เรามีลูกปัดแก้วที่มีชีวิตชีวาและหายใจได้เร็วกว่าถั่ว 'ที่ตายแล้ว' แบบเก่า"
ปีเตอร์ การ์ดิเนอร์, St. Michaels University School, วิกตอเรีย, บริติชโคลัมเบีย, แคนาดา. 10/16/99

เคล็ดลับ: ความเป็นไปได้สองอย่างสำหรับถาดที่มีราคาถูก: อย่างแรก ถาดใส่วอลเปเปอร์จาก Wal Mart หรือ Home Depot หรืออื่นๆ ฉันมีสีเทาและปิเปตมองเห็นได้ชัดเจนกว่าในถาดสีดำหรืออะลูมิเนียม ประการที่สอง ถาดที่เก็บต้นไม้เล็กๆ ที่ร้านค้าในสวน โดยปกติแล้วจะมีราคาถูกมากในช่วงเวลานี้ของปี น่าเสียดายที่พวกเขามักจะเป็นสีดำหรือสีเขียวเข้ม อย่างไรก็ตาม เป็นเรื่องที่ดีเสมอเมื่อนักเรียนอายุ 17 ปีบางคนขอให้ฉันหาวงเดือนให้!!"
อิสราเอล โซลอน, Greenhill School เมืองดัลลัส รัฐเท็กซัส 10/16/99

คำถาม: "ฉันมีปัญหาในการหาฝ้ายที่ไม่ดูดซับสำหรับห้องปฏิบัติการ"

คำตอบ 1: "Carolina Biological ขายมัน ฉันยังไม่ได้ลอง แต่คนอื่นบอกว่าถ้าคุณใช้เม็ด KOH คุณไม่ต้องการมัน เรียกว่าผ้าฝ้ายเสียบแบคทีเรีย (AA-71-2600) มีค่าใช้จ่ายประมาณ 8.50 เหรียญต่อม้วน ซึ่งจะคงอยู่นาน คุณเป็นเวลาหลายปีสำหรับห้องทดลองนั้น "
Charlotte Freeman,โรงเรียนเตรียมอุดมศึกษาหญิง, ชัตตานูกา, เทนเนสซี. 11/11/99

คำตอบ 2: “ลูกโพลีเอสเตอร์หรืองานเติมโพลีเอสเตอร์ ถามครูคหกรรมศาสตร์ให้หน่อยถ้าคุณไม่มีรอบบ้านสักหน่อย”
แนนซี่ ไฮน์, โรงเรียนมัธยมฮอว์ลีย์ เมืองฮอว์ลีย์ รัฐเท็กซัส 11/11/99

เคล็ดลับ:ฉันเคยใช้หรือรู้จักคนใช้ถั่วพินโต ถั่วไต และแม้แต่ถั่วลิมาจากร้าน แช่ไว้ค้างคืนแล้วเกลี่ยให้ทั่วระหว่างชั้นของกระดาษเช็ดมือที่เปียกมากสองสามวัน หลังจากผ่านไปสองวันใน ผ้าขนหนู มันง่ายที่จะดูว่าเมล็ดใดเริ่มที่จะเติบโตไฮโปโคทิล—ฉันแนะนำให้นักเรียนเลือกเมล็ดที่แข็งแรงดี และเรามักจะได้ผลดี
อิสราเอล โซลอน, Greenhill School, ดัลลัส, เท็กซัส. 10/16/99

เคล็ดลับ: "ฉันใช้ถั่วงอกที่ซื้อจากร้านขายอาหารเพื่อสุขภาพ ในแคลิฟอร์เนียเรามีของแปลก ๆ มากมายที่ตลาดออร์แกนิก ถั่วที่พบในภาชนะพลาสติกในส่วนผลิตผลและทำงานได้ดี มันช่วยฉันได้ ตั้งแต่ต้องเริ่มกระบวนการงอกก่อนเวลาและจากการจัดการกับศักยภาพของการติดเชื้อรา นอกจากนี้ คุณยังสามารถเลือกเมล็ดงอกแบบผสม (ถั่ว ถั่ว ฯลฯ) ที่สามารถใช้เปรียบเทียบอัตราการหายใจของเมล็ดพืชต่างๆ โดยรวมแล้วใช้งานได้ดีมาก"
เดวิด ไนท์, University High School เมืองเออร์ไวน์ รัฐแคลิฟอร์เนีย 10/15/99

เคล็ดลับ: "ความหลากหลายของถั่วมีความสำคัญ ถั่วที่หวานมีศักยภาพของน้ำที่ต่ำกว่าและบวมมากขึ้นเมื่อคุณแช่มัน คุณต้องทำ 'dry run' ล่วงหน้า แช่ถั่วเหล่านั้นและดูว่าจำนวนจะพอดีกับเครื่องช่วยหายใจของคุณ"
Barbara Beitch, โรงเรียน Hamden Hall Country Day, แฮมเดน, คอนเนตทิคัต 10/24/99

เคล็ดลับ: "หนึ่งในเคล็ดลับที่ดีที่สุดที่ฉันเคยมีสำหรับห้องทดลองระบบหายใจคือการลืมสารละลาย KOH และใช้เม็ด KOH แทน—ประมาณพอที่จะปิดก้นขวดได้ ซึ่งนักเรียนจะรับมือได้ง่ายกว่ามาก และได้ผล"
Leslie Haines, โรงเรียนมัธยมวอลเตอร์ วิลเลียมส์ เมืองเบอร์ลิงตัน รัฐนอร์ทแคโรไลนา 10/25/99

เคล็ดลับ: "ปัญหาเกี่ยวกับการตั้งค่าเครื่องช่วยหายใจปรากฏขึ้นในรายการส่งเมลของ AP Biology: บางทีนี่อาจช่วยได้ เมื่อหลายปีก่อน ฉันค้นพบว่าโดยใช้หลอดทดลองขนาดใหญ่ที่มีจุกยาง #4 และปิเปตพลาสติกแบบใช้แล้วทิ้ง Kimble 2 มล. (ซึ่งพอดี) แนบสนิทมาก) ไม่เคยรั่วเลย ฉันยังใช้ถั่ว 40 เม็ด (ซึ่งให้ปริมาณการใช้ก๊าซมากขึ้น) และใช้เม็ดโซดาไลม์เม็ดแทนของเหลว KOH ที่ท่วมทุกสิ่ง และฉันก็ใส่น็อตหกเหลี่ยมขนาดใหญ่และโบลต์จากส่วนไมโครโทมของการคายน้ำ ข้างในเป็นน้ำหนักของฉันโดยใช้รางวอลล์เปเปอร์ (ใส่กระดาษฟอยล์ที่ด้านล่างหากการมองเห็นฟองเป็นปัญหา) เราได้ผลลัพธ์ที่ไร้ที่ติ (แม้ว่าเราจะเลือกวันที่ความกดอากาศเปลี่ยนแปลงเกือบทุกครั้ง)"
Carolyn Schofield, โรงเรียนมัธยมโรเบิร์ต อี. ลี, ไทเลอร์, เท็กซัส. 1/1/99

การเตรียมการก่อนห้องปฏิบัติการ

คำถาม: "เกาะจะแย่ได้ไหม ฉันควรผสมสดทุกปีหรือไม่"

ตอบ: "ใช่! สารละลาย KOH เสียจริง เพราะมันค่อยๆ ดูดซับ CO2 จากอากาศ ก่อตัวเป็น K2CO3 ซึ่งค่อยๆ ตกตะกอน อย่างไรก็ตาม วิธีนี้ไม่ได้เกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว ดังนั้น สารละลาย KOH ควรจะดีเป็นเวลาหลายสัปดาห์หากปิดผนึกอย่างแน่นหนา ในทำนองเดียวกัน ด้วยเม็ด KOH—ทำปฏิกิริยากับ CO2 ในบรรยากาศและค่อยๆ เปลี่ยนเป็นโพแทสเซียม คาร์บอเนต อีกครั้ง มันไม่ได้เกิดขึ้นชั่วข้ามคืนหรือแม้แต่ในสองสามสัปดาห์ แต่ในที่สุด มันจะเกิดขึ้นช้ากว่าถ้าปิดภาชนะให้แน่น แต่ ดังที่ Dave Hall กล่าวในโพสต์ก่อนหน้านี้ คุณจำเป็นต้องสร้างโซลูชันใหม่จริงๆ แทนที่จะเก็บไว้ปีต่อปี และถ้าคุณมีขวด KOH เม็ดที่มีอายุมากกว่า 5 ถึง 7 ปี อาจถึงเวลาต้องโยนทิ้ง ออกไปหาเสบียงใหม่ เว้นแต่เจ้าจะขยันขันแข็งในการปิดผนึกไว้แน่นเมื่อไม่ใช้งาน"
ซี.โอ. Patterson, Texas A & M University, คอลเลจสเตชัน, เท็กซัส 10/30/00

เคล็ดลับ: “ฉันแช่ถั่วค้างคืน วันรุ่งขึ้นฉันห่อมันในปริมาณเล็กน้อยด้วยกระดาษเช็ดมือสีน้ำตาลธรรมดาของโรงเรียน กระดาษเช็ดมือควรจะเปียก ฉันแค่โรยน้ำในขณะที่ฉันกำลังม้วนมัน ฉันม้วนมันขึ้น ถั่วและกระดาษเช็ดมือในถุงกระดาษของร้านขายของชำ โรยน้ำด้วยมือของฉันจนดูเหมือนเปียก—แต่ไม่มีน้ำหมด จากนั้นฉันก็พับกระสอบกระดาษลงแล้วเอาหนังยางขนาดใหญ่มาคาดไว้ คุณสามารถใส่ ใส่ของทั้งหมดลงในกระสอบของชำอีกใบถ้าคุณทำให้ของเปียกเกินไป จากนั้นฉันก็ใส่มันลงในเตาอบแบคทีเรียในชั่วข้ามคืน—ประมาณ 90° F. ที่อุ่นๆ ที่ไหนก็ได้ พวกมันไม่เคยล้มเหลวที่จะแตกหน่อ ถ้าคุณปล่อยพวกมันไว้ในคืนที่สอง ใส่น้ำเพิ่มเข้าไป ฉันไม่เคยเป็นเชื้อราเลย แถมยังซื้อถั่วอังกฤษที่ร้านขายอาหารสัตว์และเมล็ดพืชในท้องถิ่นอีกด้วย พวกมันมีหลายชนิดเสมอ ฉันเลือกอย่างใดอย่างหนึ่ง

เมื่อฉันเก็บถั่วของฉันไว้ในปีหน้า ฉันเพิ่งทิ้งมันไว้ในถุงกระดาษจากร้าน ปีหน้าฉันมีภัยพิบัติ ไข่แมลงขนาดเล็กมากบางชนิดอยู่ในถั่ว พวกเขาฟักไข่ ปิเปตทุกตัวเต็มไปด้วยสัตว์ตัวน้อยที่น่ารำคาญ และพวกมันได้วางไข่ไว้บนทุกสิ่ง สิ่งที่เป็นระเบียบ ตั้งแต่นั้นมาฉันก็ไม่เคยเก็บถั่วทุกปี

หากคุณไม่เคยทำแล็บมาก่อน สิ่งนี้อาจช่วยได้ เตือนนักเรียนว่าอย่าดันปลายปิเปตเข้าไปในถั่วเมื่ออุดเครื่องวัดการช่วยหายใจ ถั่วบดจะป้องกันการแลกเปลี่ยนก๊าซ สิ่งนี้เกิดขึ้นหลายครั้งในชั้นเรียนของฉัน และพวกเขาไม่รู้ว่าทำไมพวกเขาถึงไม่เห็นอะไรเกิดขึ้นเลย"
Thomas Strayhorn, สไนเดอร์, เท็กซัส. 10/16/99

เคล็ดลับ: "ฉันได้ค้นพบว่าต้องใช้น้ำมากในการงอกของถั่ว ฉันใส่มันลงในบีกเกอร์ขนาดใหญ่แล้วปิดด้วยน้ำ—ซ้ำๆ เป็นเวลาสองวัน วิธีการกระดาษเปียกที่ใช้สำหรับเมล็ดส่วนใหญ่ไม่เพียงพอ"
Deborah A. Hill, โรงเรียนมัธยมนอร์มัน, นอร์แมน, โอคลาโฮมา. 4/21/00

คำถาม: "เป็นไปได้ไหมที่จะตั้งขวดถั่วเมื่อวันก่อน"

ตอบ: "เมื่อสองปีที่แล้ว ฉันวางขวดยาในวันแรก ปิดผนึกด้วยพาราฟิล์ม และใส่ไว้ในตู้เย็นข้ามคืน มันใช้ได้ดี ฉันจะทำอีกครั้งโดยไม่ลังเล"
รูธ ทัมมีย์, มานาฮอกิน, นิวเจอร์ซีย์. 10/23/00

การปรับเปลี่ยนขั้นตอน

เคล็ดลับ: “ถ้าใครมีปัญหาในการทำห้องทดลองระบบหายใจในเวลาที่กำหนด นี่คือข้อเสนอแนะ: เมล็ดถั่วงอกก่อนเวลาสามวันและอ่านทุกสองนาทีแทนที่จะเป็นทุก ๆ ห้านาที ฉันลองแล้วได้ผลดีมาก มันเป็น ข้อมูลที่ดีที่สุดที่เราเคยรวบรวมมาในแปดปีที่ฉันสอน AP Biology มีข้อดีดังต่อไปนี้: เพียง 10 นาทีในการรวบรวมข้อมูลแทนที่จะเป็น 30 เวลาน้อยลงสำหรับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและความดัน และนักเรียนสามารถเห็นน้ำเคลื่อนขึ้นปิเปตในเครื่องช่วยหายใจที่มีถั่วงอก"
Steve Ianniello, โรงเรียนมัธยม Enka เมือง Enka รัฐนอร์ทแคโรไลนา 9/29/00

เคล็ดลับ: “….ถ้าคุณถูกท้าทายเวลา อย่างฉัน คุณอาจต้องใช้ทางลัด ฉันนับจำนวนถั่วที่จำเป็นสำหรับนักเรียน เมื่อพวกเขาตั้งค่าเครื่องช่วยหายใจ ฉันดูนาฬิกาและดูว่าเวลาเท่าไร ยังคงอยู่ในห้องแล็บ 65 นาที และปรับเปลี่ยนเวลาระหว่างการอ่านตามนั้น อย่าลดเวลาในการปรับสมดุลลงมากเกินกว่าที่คุณต้องทำ แต่จะส่งผลต่อข้อมูล แน่นอน พวกเขามีการควบคุมลูกปัดแก้วเพื่อจัดการกับ ปัญหาความสมดุลของอุณหภูมิ ยังไงก็ตาม นั่นอาจเป็นคำแนะนำ—ตีความข้อมูล บางครั้งพวกเขาก็สรุปว่า GLASS BEADS RESPIRE!"
Barb Beitch, โรงเรียน Hamden Hall Country Day, แฮมเดน, คอนเนตทิคัต 10/16/99

การแก้ไขปัญหา

เคล็ดลับ: "คำแนะนำสำหรับปิเปตที่อ่านยาก ก่อนจุ่มปิเปตใต้ตลิ่ง ให้วางจุดสีผสมอาหารไว้ที่ปลาย (ปลายเปิด) ของปิเปต หลังจากที่ปิเปตจมลงไปแล้ว สีจะย้ายด้วย น้ำไหลลง/เข้าด้านใน ทางที่ดี ควรวางกระดาษขาวไว้ใต้เครื่องเพื่อให้อ่านง่ายขึ้น

ฉันพบว่าจำเป็นต้องทาซิลิกอนซีเมนต์ใหม่ทุกปี: เลิกใช้ของเก่าและใช้ของใหม่ เพียงเพื่อความปลอดภัย ปกติฉันจะให้นักเรียนอาสาทำในช่วงเวลาว่างหรือช่วงพักกลางวันได้”
แพม ทิดส์เวลล์, Rancocas Valley Regional High School, Mt. Holly, New Jersey. 10/18/99

คำถาม: "ในห้องทดลองถั่ว ในตอนแรก น้ำเคลื่อนตัวลงไปตามปิเปตขณะที่ถั่วกำลังหายใจ แต่แล้วน้ำก็เริ่มถอยออกจากปิเปต"

คำตอบ 1: "สิ่งนี้เกิดขึ้นในการควบคุมด้วยหรือไม่ อาจเป็นเพราะการเปลี่ยนแปลงของความดันบรรยากาศ (เช่น พายุที่ใกล้เข้ามา) ซึ่งในกรณีนี้จะส่งผลกระทบต่อท่อทั้งหมด ความเป็นไปได้อีกอย่างหนึ่งที่เกิดขึ้นในชั้นเรียนของฉันเมื่อปีที่แล้วคือนักเรียนคนหนึ่งเป็นสาเหตุ การทำให้ร้อนในอ่างน้ำโดยการเล่นก้อนน้ำแข็ง!"
Margaret Kaminsky, Penfield High School, เพนฟิลด์, นิวยอร์ก. 10/29/00

คำตอบ 2: "บ่อยครั้งที่นักเรียนไม่ปรับอุณหภูมิอ่างน้ำอย่างเหมาะสม (อันที่จริง ฉันจับเทอร์โมมิเตอร์แบบกลับหัวได้สองสามอัน!) สิ่งนี้ บวกกับการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในความดันบรรยากาศ (สภาพอากาศ) และตัวหยุดหลวมบนเครื่องวัดการหายใจ อาจทำให้ปริมาตรของแก๊สเปลี่ยนแปลงได้ ตรวจสอบการควบคุม อย่างไรก็ตาม ให้นักเรียนเก็บเครื่องช่วยหายใจใต้น้ำโดยชั่งน้ำหนักลงด้วยที่หนีบบิวเรตต์ หากเครื่องช่วยหายใจลอยและอยู่ใต้อ่างน้ำไม่เรียบระดับน้ำจะไหล เข้าและออกในขณะที่เครื่องช่วยหายใจหมุน"
สตูว์บริตต์เนอร์, โรงเรียนมัธยม Millburn เมือง Millburn รัฐนิวเจอร์ซีย์ 10/30/00

คำตอบ 3: "ฉันมีปัญหาเดียวกันกับการผลิตก๊าซที่ผลักน้ำออกจากปิเปต ฉันแก้ไขโดยเพิ่มความเข้มข้นของ KOH เป็นสองเท่า และลดปริมาณฝ้ายที่ไม่ดูดซับที่ฉันใช้ (ในกรณีที่ขัดขวางไม่ให้ CO2 ไปถึงเกาะ มากเพราะมีตัวแปรอิสระเพียงตัวเดียว มันได้ผล ฉันจะตัดสินว่าตัวไหนสำคัญกว่ากันในปีหน้า ความรู้สึกในลำไส้ของฉันคือฉันมีสำลีที่ไม่ดูดซับมากเกินไประหว่างถั่วกับเกาะเพื่อให้ก๊าซไม่สามารถแพร่กระจายไปยังเกาะได้ เร็วพอ."
Barb Fuller, Hall High School, เวสต์ฮาร์ตฟอร์ด, คอนเนตทิคัต 10/30/00

คำตอบ 4: “เพื่อป้องกันไม่ให้น้ำไหลออกจากปิเปตมากกว่า: (1) แนะนำให้นักเรียนตรวจสอบว่ามีผนึกแน่นระหว่างจุกและภาชนะที่เก็บเมล็ด เตือนให้ระวังกระจกแตกเมื่อใส่ ปิเปตและจุกถ้าคุณใช้นั่นคือสิ่งที่คุณใช้ (2) อย่าใช้สำลีที่ไม่ดูดซับมากเกินไป—ชั้นบางๆ ก็น่าจะใช้ได้ (3) ใช้สารละลายใหม่ของ KOH และเพิ่มขึ้น เว้นแต่ว่าเม็ดจะค่อนข้างใหม่ ให้เพิ่ม เปอร์เซ็นต์ของ KOH ในสารละลาย (4) นักเรียนไม่ควรสัมผัสอุปกรณ์รวมทั้งถาดเมื่อการทดลองกำลังดำเนินการ—การเคลื่อนไหวเล็กน้อยอาจทำให้แรงดันเปลี่ยนแปลงได้"
Bruce Faitsch,โรงเรียนมัธยมกิลฟอร์ด. กิลฟอร์ด, คอนเนตทิคัต 10/31/00

ดำเนินการห้องปฏิบัติการโดยใช้ระบบ CBL

คำถาม: "คอมพิวเตอร์เครื่องใดที่คุณจะแนะนำให้ใช้สำหรับห้องปฏิบัติการการหายใจของเซลล์"

คำตอบ 1: "ฉันเพิ่งเสร็จสิ้นห้องปฏิบัติการการหายใจโดยใช้หัววัด CO2— ผลลัพธ์นั้นยอดเยี่ยม การตั้งค่านั้นน้อยมากอย่างน่าขัน"
อิสราเอล โซลอน, Greenhill School เมืองดัลลัส รัฐเท็กซัส 11/27/00

คำตอบ 2: "หัววัด CO2 และ O2 ใช้งานได้ทั้งสองแบบ และใช่ พวกมันต้องการความยุ่งยากน้อยที่สุด แต่ผมก็ยังเลือกใช้เซ็นเซอร์วัดแรงดันแก๊ส เซ็นเซอร์แรงดันแก๊สมีราคาแพงที่สุด แต่นั่นก็เช่นกัน เมื่อวัดการเปลี่ยนแปลงของแรงดัน แล็บนี้สอน นักศึกษาเกี่ยวกับการออกแบบการทดลองมากกว่าแล็บอื่น ๆ ที่เราทำใน AP Biology วิธีการคือ 'สง่างาม' อันที่จริง ฉันรู้สึกว่าผลลัพธ์ค่อนข้างชัดเจน และเป็น 'การทดลอง' การออกแบบที่ทำให้การทดลองนี้เจ๋งมาก ใช้ลูกปัดแก้วเพื่อแก้ไขความแตกต่างของแรงกดของสิ่งแวดล้อม แล้วลบความแตกต่างเหล่านั้นเพื่อรับแรงกดที่แก้ไข การเปลี่ยนแปลงแสดงให้นักเรียนเห็นว่าเราสามารถแยกแยะตัวแปรที่ 'ไม่ต้องการ' ในการทดลองได้อย่างไร"
บ๊อบ กู๊ดแมน,ฮันเตอร์ คอลเลจ ไฮสคูล นครนิวยอร์ก 11/27/00

คำตอบ 3: "คุณยังสามารถทำได้โดยใช้หัววัด CO2 และ O2 พร้อมกันโดยใช้ทีออฟ PVC เราเพิ่งวัดระดับ O2 ของเมาส์ในภาชนะปิด (ไม่ใช่ขวด) เมื่อเช้านี้และได้ผลลัพธ์ที่ยอดเยี่ยม"
Gretchen Stahmer DeMoss, Vernier Software & Technology, บีเวอร์ตัน, โอเรกอน 11/28/00

เคล็ดลับ: "ฉันพบวิธีที่จะประหยัดเวลาด้วยมวลสาร AP นี้ มีข้อแลกเปลี่ยนเล็กน้อย แต่ปีหน้าฉันวางแผนที่จะใช้ความคิดของฉันปีนี้ฉันทำแล็บช่วยหายใจด้วยถั่วสามวิธี: (1) ตามที่กำหนดไว้ในคู่มือ AP และอย่างที่ฉันได้ทำมาหลายปีแล้ว ฉันได้มอบหมายหนึ่งทีมให้ทำสิ่งนี้ (2) สี่กลุ่มใช้เซ็นเซอร์ความดันเวอร์เนียและทำห้องปฏิบัติการตามที่เขียนไว้ในคู่มือห้องปฏิบัติการเวอร์เนีย (3) กลุ่มหนึ่งใช้เซ็นเซอร์ CO2 จากเวอร์เนีย

การปรับเปลี่ยนครั้งสำคัญที่ฉันทำคือเปลี่ยนเม็ดโซดาไลม์เป็น KOH เหลว ว้าว นั่นทำให้สิ่งต่าง ๆ ง่ายขึ้นและทำงานได้ดีขึ้น!

วิธีแบบเก่าได้ข้อมูลที่ดีและเสร็จสิ้นในห้องปฏิบัติการสองช่วงที่ฉันมี สามในสี่กลุ่มที่ใช้เซ็นเซอร์วัดแรงดันเวอร์เนียได้รับข้อมูลที่ดี แต่เนื่องจากมีเพียงสองหัววัด พวกเขาจึงต้องวิ่งสามครั้งและแน่นอนว่ายังไม่เสร็จสิ้นในระหว่างช่วงทดลอง ฉันต้องใช้เวลาพักกลางวันเพื่อทำงานครั้งสุดท้าย จากนั้นจึงพิมพ์ผลลัพธ์และทำความสะอาด

ไม่ต้องถาม ไม่ต้องถาม เซ็นเซอร์ CO2 คือทางไป อันที่จริงแล้ว มันง่ายมากจนทำให้ใครๆ ก็สงสัยว่าทำไมเราถึงต้องยุ่งยากกับการทำแล็บด้วย ฉันจะทำเป็นการสาธิตโดยฉายให้ทั้งชั้นเรียนดูในปีหน้า ตั้งแต่ต้นจนจบ คุณสามารถบรรลุวัตถุประสงค์ของห้องปฏิบัติการได้ภายใน 30 นาที สำหรับผู้ที่ไม่คุ้นเคยกับสิ่งนี้ มันคือโพรบจาก Vernier ที่วัด CO2 ในอากาศโดยตรง มาพร้อมกับขวดพลาสติกสำหรับใส่จุกปิด และนั่นคือ 'เครื่องวัดการหายใจ' ตอนแรกฉันเอาถั่วงอก 25 เม็ดใส่ขวด ใส่เซ็นเซอร์ แล้วคลิก 'รวบรวม' เป็นเวลาห้านาที จุดข้อมูลไต่ขึ้นในแนวทแยงมุมของหน้าจอเกือบจะสมบูรณ์แบบเกินไป จากนั้นฉันก็ใส่ถั่วเหล่านั้นลงในน้ำเย็น ล้างและทำให้ขวดแห้ง ใส่ถั่วแห้งลงไป และรวบรวมข้อมูลเป็นเวลาห้านาที ฉันได้เส้นเกือบแบน! ระหว่างที่ฉันทำถั่วงอกกำลังเยือกเย็น ฉันใส่มันลงในขวดและรวบรวมต่อไปอีกห้านาทีและได้เส้นที่สวยงามเหนือเส้นแบนเล็กน้อยและความชันเล็กน้อย คลิกที่เส้นโค้งการถดถอยและพิมพ์ความชันออกมา!

มันเป็นข้อมูลที่สมบูรณ์แบบแบบคลาสสิก—ไม่มี KOH ไม่มีการควบคุม ไม่มีอะไร—และนั่นคือการแลกเปลี่ยน มันตรงไปตรงมาและเรียบง่ายมากจนนักเรียนไม่ได้เรียนรู้อะไรเกี่ยวกับการตั้งค่าการควบคุม ไม่มีคณิตศาสตร์ ฯลฯ ดังนั้นฉันจึงต้องดิ้นรนกับวิธีที่ช้ากว่าและหนักกว่าซึ่งสอนเพิ่มเติมเกี่ยวกับการลุกขึ้นและออกแบบการทดลองและทั้งหมดนั้น แต่การที่จะทำการทดลองทั้งหมดได้ภายใน 30 นาทีและแทบไม่ต้องยุ่งยากเลยถือเป็นเรื่องที่น่าสนใจจริงๆ โพรบมีราคาแพง (ฉันคิดว่าประมาณ 200 ดอลลาร์) และแน่นอน คุณต้องมีอุปกรณ์เชื่อมต่อ แต่สำหรับโรงเรียนที่มีอินเทอร์เฟซแบบกล่องอนุกรมหรือ ULI อยู่แล้ว การซื้อโพรบหนึ่งตัวอาจเป็นทางเลือกที่ดี ฉันโชคดีที่มีโปรเจ็กเตอร์สำหรับต่อกับคอมพิวเตอร์ ฉันจึงสามารถให้ทั้งชั้นเรียนดูแบบเรียลไทม์ ฉันลองเล่นกับมัน และพบว่าถ้าฉันใส่ถั่วหนึ่งกำมือเข้าไป ผลลัพธ์ก็จะยิ่งน่าทึ่งมากขึ้น ฉันยังค้นพบอีกว่าต้องล้างและทำให้ขวดแห้งสนิท เห็นได้ชัดว่าสิ่งตกค้างที่เหลืออยู่หลังจากเอาถั่วออกแล้วยังคงปล่อย CO2 และคุณจะได้รับการอ่าน การทำขวดให้แห้งนั้นยากเพราะมีคอเล็ก ดังนั้นฉันจะลองซื้อสามขวดจะได้ไม่ต้องกลับมาใช้ใหม่ทันที โพรบต้องใช้เวลา 90 วินาทีในการปรับสมดุล และคุณต้องแน่ใจว่าโพรบผ่านจุกจนสุดเพื่อให้รูทั้งหมดเปิดออก อัตราจะถูกคำนวณเป็น ppm/นาที ซึ่งค่อนข้างแปลก แต่ฉันสามารถอยู่กับมันได้

แน่นอนว่าเป็นวิธีหนึ่งในการทำแล็บนั้นและแสดงผลของการงอกต่อการใช้ออกซิเจนและผลกระทบของอุณหภูมิ ทำให้คนสงสัยว่าการทำแล็บนั้นคุ้มค่าที่จะแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนหรือไม่ Data Logger Pro จาก Vernier มีคุณสมบัติที่ดีบางอย่าง เช่น การเล่นข้อมูลซ้ำแบบเรียลไทม์หรือเร็วขึ้น 10 เท่าหรือในทันที ดังนั้น หากบันทึกไว้ในดิสก์ การทำงานที่ดีสามารถเล่นซ้ำได้ในปีหนึ่งเมื่อสิ่งอื่นเกิดขัดข้องและคุณไม่ได้รับข้อมูล"
Charlotte Freeman,โรงเรียนเตรียมอุดมศึกษาหญิง, ชัตตานูกา, เทนเนสซี. 1/18/00

เคล็ดลับ: ….ห้องแล็บนี้มีปัญหาฉาวโฉ่ ฉันใช้ CBL และเราทำถั่วแห้งกับลูกปัดเพื่อควบคุมปริมาตร ถั่วในอ่างน้ำสามอ่าง—อุณหภูมิห้อง อุ่น และเย็น ข้อมูลค่อนข้างบิดเบี้ยว—ถั่วและเม็ดบีดแห้งแสดงการหายใจ ฯลฯ แต่เป็นห้องทดลองที่ยอดเยี่ยมสำหรับการให้นักเรียนดูข้อมูลและค้นหาว่าเกิดอะไรขึ้น—เช่น เราไม่ได้ควบคุมสิ่งต่างๆ หรือไม่ทำงานได้ดีในการควบคุม การรั่วซึม เวลาในการทดลองที่อุณหภูมิคงที่ไม่เพียงพอ การขยายตัวของอากาศในบรรยากาศในเครื่องวัดการหายใจ เป็นต้น ตอนแรกนักเรียนรู้สึกผิดหวังมาก แต่มาเห็นว่าจะช่วยให้พวกเขาเขียนการออกแบบห้องปฏิบัติการที่ดีขึ้นได้อย่างไรในคำถามที่ตอบโดยเสรี AP ไม่เก่ง! เด็ก ๆ เหล่านี้มักจะเอามะนาวมาทำน้ำมะนาวเสมอ! หากคุณยังไม่มีให้ลองรับ ระบบ CBL ช่วยให้คุณสามารถรวบรวมจุดข้อมูล 600 จุดใน 10 นาที เทียบกับเพียงไม่กี่จุดที่คุณสามารถรับได้ จากนั้นนักเรียนสามารถจัดการข้อมูลได้หลายวิธีบนคอมพิวเตอร์สำหรับกราฟและการวิเคราะห์ประเภทต่างๆ"
Deborah A. Hill, โรงเรียนมัธยมนอร์มัน, นอร์แมน, โอคลาโฮมา. 4/21/00

เคล็ดลับ: "ในห้องปฏิบัติการการหายใจ วัตถุประสงค์ประการหนึ่งคือ 'วิธีการทำงานของเครื่องวัดการหายใจในแง่ของกฎหมายก๊าซ' ความรู้สึกของฉันคือ เวลาเราใช้ probes เราควรตรวจสอบให้แน่ใจว่านักเรียนของเรามีพื้นฐานและความรู้ในการทดลองด้วยถ้าเราไม่มี probes นั้น probes มีประโยชน์มาก แต่เราไม่ควรมองข้ามแนวคิด ว่าเครื่องมือกำลัง 'ทำเพื่อเรา'"
Steve Rierson, โรงเรียนมัธยมฮอปกินส์ เมืองฮอปกินส์ รัฐมิชิแกน 6/22/01

ไอเดียห้องปฏิบัติการสำรอง

เคล็ดลับ: "ห้องปฏิบัติการการหายใจสำรอง: ฉันใช้ยีสต์และวัดการผลิตก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และทำงานได้ดี อันที่จริงเราทดสอบที่อุณหภูมิต่างกันและน้ำตาลต่างกัน (ซูโครส กลูโคส และแลคโตส) สารแขวนลอยของยีสต์จะเข้าสู่หลอดฉีดยาที่ ถูกแช่ในน้ำ เก็บก๊าซไว้ในกระบอกสูบที่สำเร็จการศึกษา นักเรียนใช้หลอดฉีดยาขนาด 10 มล. โดยไม่ต้องใช้เข็ม ในหลอดฉีดยาจะมีสารแขวนลอยยีสต์ 4 มล. สารละลายน้ำตาล 10 ถึง 20 เปอร์เซ็นต์ 4 มล. (ตัวแปร) ในหลอดฉีดยา ส่วนที่เหลือ อากาศ ท่อยางขนาดสั้น (ประมาณ 5 ซม.) จะไปที่ปลายกระบอกฉีดยาและม้วนเป็นทรงกระบอกขนาด 10 มล.

กระบอกสูบเต็มไปด้วยน้ำ (และคว่ำ) ในขั้นต้น แต่โผล่ออกมาจากอ่างน้ำ เติมใต้น้ำ. กระบอกฉีดยาทำมุมเล็กน้อยเพื่อให้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์—และไม่ใช่สารละลาย—เล็ดลอดออกมา เรารวบรวมเป็นเวลา 10 นาทีหรือ 10 มล. แล้วแต่ว่าจะถึงอย่างใดก่อน อุณหภูมิอ่างน้ำสามารถเปลี่ยนแปลงได้ ด้วยอุณหภูมิที่อบอุ่น อย่าลืมใส่ใจกับฟองอากาศสองสามฟองแรกๆ เนื่องจากเป็นเพียงการขยายอากาศ ปล่อยให้ฟองอากาศแรกออกมาก่อนที่จะใส่สายยางเข้าไปในกระบอกฉีดยา อัตราการหายใจเป็นสัดส่วนกับการผลิต CO2 ฉันใช้ห้องปฏิบัติการในสามวิธีที่แตกต่างกัน:


39.2A: แรงดันแก๊สและการหายใจ - ชีววิทยา

การแลกเปลี่ยนก๊าซเกิดขึ้นที่บริเวณสองจุดในร่างกาย: ในปอด ซึ่งเป็นที่ที่รับออกซิเจนและปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่เยื่อหุ้มทางเดินหายใจ และที่เนื้อเยื่อที่ปล่อยออกซิเจนและเก็บคาร์บอนไดออกไซด์ การหายใจภายนอก คือการแลกเปลี่ยนก๊าซกับสิ่งแวดล้อมภายนอกและเกิดขึ้นในถุงลมของปอด การหายใจภายใน คือการแลกเปลี่ยนก๊าซกับสิ่งแวดล้อมภายในและเกิดขึ้นในเนื้อเยื่อ การแลกเปลี่ยนก๊าซที่เกิดขึ้นจริงเกิดจากการแพร่อย่างง่าย ไม่จำเป็นต้องใช้พลังงานในการเคลื่อนย้ายออกซิเจนหรือคาร์บอนไดออกไซด์ข้ามเมมเบรน ก๊าซเหล่านี้เป็นไปตามการไล่ระดับแรงดันที่ทำให้พวกมันกระจายตัว กายวิภาคของปอดช่วยเพิ่มการแพร่กระจายของก๊าซ: เมมเบรนระบบทางเดินหายใจสามารถซึมผ่านก๊าซในระบบทางเดินหายใจได้สูง และเยื่อฝอยของเลือดมีความบางมากและมีพื้นที่ผิวขนาดใหญ่ทั่วทั้งปอด

การหายใจภายนอก

หลอดเลือดแดงในปอดจะนำเลือดที่เติมออกซิเจนเข้าสู่ปอดจากหัวใจที่แตกแขนงออกไป และในที่สุดก็กลายเป็นเครือข่ายของเส้นเลือดฝอยที่ประกอบด้วยเส้นเลือดฝอยในปอด เส้นเลือดฝอยในปอดเหล่านี้สร้างเยื่อหุ้มทางเดินหายใจด้วยถุงลม เมื่อเลือดถูกสูบผ่านเครือข่ายของเส้นเลือดฝอย การแลกเปลี่ยนก๊าซจะเกิดขึ้น แม้ว่าออกซิเจนจำนวนเล็กน้อยจะสามารถละลายลงในพลาสมาได้โดยตรงจากถุงลม แต่ออกซิเจนส่วนใหญ่จะถูกหยิบขึ้นมาโดยเม็ดเลือดแดง (เซลล์เม็ดเลือดแดง) และจับกับโปรตีนที่เรียกว่าเฮโมโกลบิน ซึ่งเป็นกระบวนการที่อธิบายไว้ในตอนต่อไปในบทนี้ ออกซิเจนเฮโมโกลบินเป็นสีแดง ทำให้มีลักษณะโดยรวมของเลือดออกซิเจนสีแดงสด ซึ่งส่งกลับไปยังหัวใจผ่านเส้นเลือดในปอด คาร์บอนไดออกไซด์ถูกปล่อยออกมาในทิศทางตรงกันข้ามกับออกซิเจน จากเลือดไปยังถุงลม คาร์บอนไดออกไซด์บางส่วนถูกส่งกลับคืนมาบนเฮโมโกลบิน แต่ยังสามารถละลายในพลาสมาหรือมีอยู่ในรูปแบบที่แปลงสภาพได้ ซึ่งจะอธิบายในรายละเอียดเพิ่มเติมในตอนต่อไปในบทนี้

การหายใจภายนอก เกิดขึ้นเนื่องจากความแตกต่างของความดันบางส่วนในออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ระหว่างถุงลมและเลือดในเส้นเลือดฝอยในปอด

รูปที่ 2 ในการหายใจภายนอก ออกซิเจนจะกระจายไปทั่วเยื่อหุ้มทางเดินหายใจจากถุงลมไปยังเส้นเลือดฝอย ในขณะที่ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จะกระจายออกจากเส้นเลือดฝอยไปยังถุงลม

แม้ว่าความสามารถในการละลายของออกซิเจนในเลือดจะไม่สูง แต่มีความแตกต่างอย่างมากในความดันบางส่วนของออกซิเจนในถุงลมกับในเลือดของเส้นเลือดฝอยในปอด ความแตกต่างนี้คือประมาณ 64 มม. ปรอท: ความดันบางส่วนของออกซิเจนในถุงลมอยู่ที่ประมาณ 104 มม. ปรอท ในขณะที่ความดันบางส่วนในเลือดของเส้นเลือดฝอยอยู่ที่ประมาณ 40 มม. ปรอท ความแตกต่างอย่างมากของความดันบางส่วนนี้ทำให้เกิดการไล่ระดับความดันที่รุนแรงมากซึ่งทำให้ออกซิเจนข้ามเยื่อหุ้มทางเดินหายใจอย่างรวดเร็วจากถุงลมเข้าสู่กระแสเลือด

ความดันบางส่วนของคาร์บอนไดออกไซด์ยังแตกต่างกันระหว่างอากาศในถุงลมและเลือดของเส้นเลือดฝอย อย่างไรก็ตาม ความแตกต่างของแรงดันบางส่วนนั้นน้อยกว่าออกซิเจนประมาณ 5 มม. ปรอท ความดันบางส่วนของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในเลือดของเส้นเลือดฝอยอยู่ที่ประมาณ 45 มม. ปรอท ในขณะที่ความดันบางส่วนในถุงลมจะอยู่ที่ประมาณ 40 มม. ปรอท อย่างไรก็ตาม ความสามารถในการละลายของคาร์บอนไดออกไซด์มีมากกว่าออกซิเจนมาก โดยอยู่ที่ประมาณ 20 เท่า ทั้งในเลือดและของเหลวในถุงน้ำ เป็นผลให้ความเข้มข้นสัมพัทธ์ของออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ที่กระจายไปทั่วเยื่อหุ้มทางเดินหายใจมีความคล้ายคลึงกัน

การหายใจภายใน

การหายใจภายใน คือการแลกเปลี่ยนก๊าซที่เกิดขึ้นที่ระดับเนื้อเยื่อของร่างกาย (ภาพที่ 3) เช่นเดียวกับการหายใจภายนอก การหายใจภายในก็เกิดขึ้นเหมือนกับการแพร่กระจายอย่างง่ายเนื่องจากการไล่ระดับความดันบางส่วน อย่างไรก็ตาม การไล่ระดับความดันบางส่วนจะตรงกันข้ามกับระดับที่มีอยู่ที่เยื่อหุ้มทางเดินหายใจ ความดันบางส่วนของออกซิเจนในเนื้อเยื่อต่ำประมาณ 40 มม. ปรอท เนื่องจากออกซิเจนถูกใช้อย่างต่อเนื่องในการหายใจระดับเซลล์ ในทางตรงกันข้าม ความดันบางส่วนของออกซิเจนในเลือดจะอยู่ที่ประมาณ 100 มม. ปรอท ทำให้เกิดการไล่ระดับความดันที่ทำให้ออกซิเจนแยกออกจากฮีโมโกลบิน กระจายออกจากเลือด ข้ามช่องว่างคั่นระหว่างหน้า และเข้าสู่เนื้อเยื่อ เฮโมโกลบินที่มีออกซิเจนเพียงเล็กน้อยจะสูญเสียความสว่างไปมาก ดังนั้นเลือดที่ไหลย้อนกลับไปยังหัวใจจึงมีสีเบอร์กันดีมากขึ้น

รูปที่ 3 ออกซิเจนกระจายออกจากเส้นเลือดฝอยและเข้าไปในเซลล์ ในขณะที่คาร์บอนไดออกไซด์จะกระจายออกจากเซลล์และเข้าไปในเส้นเลือดฝอย

เมื่อพิจารณาว่าการหายใจระดับเซลล์สร้างคาร์บอนไดออกไซด์อย่างต่อเนื่อง ความดันบางส่วนของคาร์บอนไดออกไซด์ในเลือดจะต่ำกว่าในเนื้อเยื่อ ทำให้คาร์บอนไดออกไซด์กระจายออกจากเนื้อเยื่อ ผ่านของเหลวคั่นระหว่างหน้า และเข้าสู่กระแสเลือด จากนั้นจะถูกส่งกลับไปยังปอดโดยจับกับฮีโมโกลบิน ละลายในพลาสมา หรือในรูปแบบที่แปลงสภาพ เมื่อถึงเวลาที่เลือดกลับคืนสู่หัวใจ ความดันบางส่วนของออกซิเจนจะกลับมาอยู่ที่ประมาณ 40 มม. ปรอท และความดันบางส่วนของคาร์บอนไดออกไซด์กลับมาอยู่ที่ประมาณ 45 มม. ปรอท จากนั้นเลือดจะถูกสูบกลับไปที่ปอดเพื่อให้ออกซิเจนอีกครั้งระหว่างการหายใจภายนอก

การเชื่อมต่อในชีวิตประจำวัน: การรักษา Hyperbaric Chamber

อุปกรณ์ประเภทหนึ่งที่ใช้ในยาบางพื้นที่ที่ใช้ประโยชน์จากพฤติกรรมของก๊าซคือการรักษาห้องที่มีความดันสูงเกิน ห้อง Hyperbaric เป็นหน่วยที่สามารถปิดผนึกและทำให้ผู้ป่วยได้รับออกซิเจน 100 เปอร์เซ็นต์ด้วยความดันที่เพิ่มขึ้นหรือส่วนผสมของก๊าซที่มีความเข้มข้นของออกซิเจนสูงกว่าอากาศในบรรยากาศปกติและที่ความดันบางส่วนที่สูงกว่าบรรยากาศ แชมเบอร์มีสองประเภทหลัก: monoplace และ multiplace ห้อง Monoplace โดยทั่วไปมีไว้สำหรับผู้ป่วยรายเดียว และพนักงานที่ดูแลผู้ป่วยจะสังเกตผู้ป่วยจากภายนอกห้อง สิ่งอำนวยความสะดวกบางแห่งมีห้องควบคุมความดันสูงแบบโมโนเพลสพิเศษที่ช่วยให้ผู้ป่วยหลายรายได้รับการรักษาในคราวเดียว โดยปกติแล้วจะอยู่ในท่านั่งหรือเอนกาย เพื่อช่วยบรรเทาความรู้สึกโดดเดี่ยวหรือโรคกลัวที่แคบ ห้อง Multiplace มีขนาดใหญ่เพียงพอสำหรับผู้ป่วยหลายรายที่จะรับการรักษาในคราวเดียว และมีเจ้าหน้าที่ที่เข้าร่วมผู้ป่วยเหล่านี้อยู่ภายในห้อง ในห้องแบบหลายช่อง ผู้ป่วยมักได้รับการรักษาด้วยอากาศผ่านหน้ากากหรือเครื่องดูดควัน และห้องเพาะเลี้ยงจะได้รับแรงดัน

รูปที่ 4. Hyperbaric Chamber (เครดิต: “komunews”/flickr.com)

การบำบัดในห้อง Hyperbaric ขึ้นอยู่กับพฤติกรรมของก๊าซ ในขณะที่คุณจำได้ ก๊าซจะเคลื่อนจากบริเวณที่มีความกดอากาศสูงไปยังบริเวณที่มีความกดอากาศต่ำ ในห้อง Hyperbaric ความดันบรรยากาศจะเพิ่มขึ้น ทำให้ออกซิเจนในปริมาณที่มากกว่าปกติจะกระจายเข้าสู่กระแสเลือดของผู้ป่วย การบำบัดในห้อง Hyperbaric ใช้ในการรักษาปัญหาทางการแพทย์ที่หลากหลาย เช่น การรักษาบาดแผลและการปลูกถ่ายอวัยวะ การติดเชื้อแบคทีเรียแบบไม่ใช้ออกซิเจน และพิษคาร์บอนมอนอกไซด์ การสัมผัสและพิษจากคาร์บอนมอนอกไซด์เป็นเรื่องยากที่จะย้อนกลับ เนื่องจากความสัมพันธ์ของฮีโมโกลบินต่อคาร์บอนมอนอกไซด์นั้นแข็งแกร่งกว่าสัมพรรคภาพกับออกซิเจนมาก ทำให้คาร์บอนมอนอกไซด์เข้ามาแทนที่ออกซิเจนในเลือด การบำบัดในห้อง Hyperbaric สามารถรักษาพิษคาร์บอนมอนอกไซด์ได้ เนื่องจากความดันบรรยากาศที่เพิ่มขึ้นทำให้ออกซิเจนแพร่เข้าสู่กระแสเลือดมากขึ้น ที่ความดันที่เพิ่มขึ้นและความเข้มข้นของออกซิเจนที่เพิ่มขึ้นนี้ คาร์บอนมอนอกไซด์จะถูกแทนที่จากเฮโมโกลบิน อีกตัวอย่างหนึ่งคือการรักษาการติดเชื้อแบคทีเรียแบบไม่ใช้ออกซิเจนซึ่งเกิดจากแบคทีเรียที่ไม่สามารถหรือไม่ต้องการอยู่ในที่ที่มีออกซิเจน การเพิ่มขึ้นของระดับออกซิเจนในเลือดและเนื้อเยื่อช่วยฆ่าเชื้อแบคทีเรียที่ไม่ใช้ออกซิเจนที่รับผิดชอบต่อการติดเชื้อ เนื่องจากออกซิเจนเป็นพิษต่อแบคทีเรียที่ไม่ใช้ออกซิเจน สำหรับบาดแผลและการปลูกถ่าย ช่องจะกระตุ้นกระบวนการบำบัดโดยการเพิ่มการผลิตพลังงานที่จำเป็นสำหรับการซ่อมแซม การขนส่งออกซิเจนที่เพิ่มขึ้นช่วยให้เซลล์เพิ่มการหายใจของเซลล์ และด้วยเหตุนี้การผลิต ATP ซึ่งเป็นพลังงานที่จำเป็นในการสร้างโครงสร้างใหม่


30.2 การแลกเปลี่ยนก๊าซผ่านพื้นผิวทางเดินหายใจ

ในส่วนนี้ คุณจะสำรวจคำถามต่อไปนี้:

  • ชื่อและคำอธิบายของปริมาตรและความสามารถของปอดคืออะไร?
  • แรงดันแก๊สมีผลต่อการเคลื่อนที่ของก๊าซเข้าและออกจากร่างกายอย่างไร?

การเชื่อมต่อสำหรับหลักสูตร AP ®

ข้อมูลในส่วนนี้เกี่ยวกับปริมาตรและความสามารถของปอดอยู่นอกขอบเขตสำหรับ AP ® อย่างไรก็ตาม เนื้อหาเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของก๊าซผ่านเยื่อหุ้มของถุงลมเป็นการประยุกต์ใช้หลักการการแพร่กระจายที่สำคัญที่เราได้สำรวจในบทเกี่ยวกับการขนส่งแบบพาสซีฟ นอกจากนี้ การแลกเปลี่ยนก๊าซยังให้ออกซิเจนที่จำเป็นสำหรับการหายใจในเซลล์แบบแอโรบิกและสำหรับการกำจัดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่ผลิตเป็นผลิตภัณฑ์ของเสียจากการเผาผลาญ

การเคลื่อนที่ของแก๊สเข้าหรือออกจากปอดขึ้นอยู่กับความดันของแก๊ส เนื่องจากอากาศที่เราหายใจเข้าไปนั้นเป็นส่วนผสมของก๊าซหลายชนิด รวมทั้ง N, O2 และCO2, ปริมาณของก๊าซแต่ละชนิดวัดจากความดันบางส่วน ตามที่คุณจำได้จากการสำรวจการแพร่กระจายก่อนหน้านี้ของเรา โมเลกุลจะเคลื่อนจากบริเวณที่มีความเข้มข้นสูงกว่าไปยังความเข้มข้นที่ต่ำกว่า หรือในกรณีของก๊าซ จากความดันบางส่วนที่สูงขึ้น (วัดเป็น mmHg) ไปสู่ความดันบางส่วนที่ต่ำลง กล่าวอีกนัยหนึ่ง O2 และCO2 เคลื่อนที่ด้วยการไล่ระดับความเข้มข้น เนื่องจากก๊าซทั้งสองมีขนาดเล็กและไม่มีขั้ว พวกมันจึงเดินทางผ่านฟอสโฟลิปิดไบเลเยอร์ของเยื่อหุ้มเซลล์พลาสมาได้อย่างอิสระ

ข้อมูลที่นำเสนอและตัวอย่างที่เน้นในหัวข้อสนับสนุนแนวคิดที่ระบุไว้ใน Big Idea 2 ของ AP ® Biology Curriculum Framework วัตถุประสงค์การเรียนรู้ AP ® ที่ระบุไว้ในกรอบหลักสูตรเป็นพื้นฐานที่โปร่งใสสำหรับหลักสูตร AP ® Biology ประสบการณ์ในห้องปฏิบัติการตามการสอบถาม กิจกรรมการสอน และคำถามเกี่ยวกับการสอบ AP ® วัตถุประสงค์การเรียนรู้ผสานเนื้อหาที่จำเป็นเข้ากับแนวปฏิบัติทางวิทยาศาสตร์อย่างน้อยหนึ่งข้อจากเจ็ดข้อ

บิ๊กไอเดีย2 ระบบชีวภาพใช้พลังงานอิสระและโครงสร้างโมเลกุลในการเติบโต การสืบพันธุ์ และเพื่อรักษาสภาวะสมดุลแบบไดนามิก
ความเข้าใจที่ยั่งยืน 2.B การเจริญเติบโต การสืบพันธุ์ และสภาวะสมดุลแบบไดนามิกต้องการให้เซลล์สร้างและรักษาสภาพแวดล้อมภายในที่แตกต่างจากสภาพแวดล้อมภายนอก
ความรู้ที่จำเป็น 2.B.2 การเจริญเติบโตและสภาวะสมดุลแบบไดนามิกจะคงอยู่โดยการเคลื่อนที่อย่างต่อเนื่องของโมเลกุลผ่านเยื่อหุ้มเซลล์
การปฏิบัติวิทยาศาสตร์ 1.4 นักเรียนสามารถใช้การนำเสนอและแบบจำลองเพื่อวิเคราะห์สถานการณ์หรือแก้ปัญหาในเชิงคุณภาพและเชิงปริมาณ
การปฏิบัติวิทยาศาสตร์ 1.1 นักเรียนสามารถสร้างการแสดงแทนและแบบจำลองของปรากฏการณ์และระบบธรรมชาติหรือที่มนุษย์สร้างขึ้นในโดเมน
ปฏิบัติการวิทยาศาสตร์ 7.2 นักเรียนสามารถเชื่อมโยงแนวคิดในและข้ามโดเมนเพื่อสรุปหรืออนุมานในและ/หรือข้ามความเข้าใจที่ยั่งยืนและ/หรือแนวคิดที่ยิ่งใหญ่
วัตถุประสงค์การเรียนรู้ 2.12 นักเรียนสามารถใช้การนำเสนอและแบบจำลองเพื่อวิเคราะห์สถานการณ์หรือแก้ปัญหาในเชิงคุณภาพและเชิงปริมาณเพื่อตรวจสอบว่าสภาวะสมดุลแบบไดนามิกนั้นคงอยู่โดยการเคลื่อนที่ของโมเลกุลข้ามเยื่อหุ้มเซลล์หรือไม่

โครงสร้างของปอดขยายพื้นที่ผิวให้สูงสุดเพื่อเพิ่มการแพร่กระจายของก๊าซ เนื่องจากมีถุงลมจำนวนมาก (ประมาณ 300 ล้านในแต่ละปอดของมนุษย์) พื้นที่ผิวของปอดจึงใหญ่มาก (75 ม. 2) การมีพื้นที่ผิวขนาดใหญ่เช่นนี้จะเพิ่มปริมาณก๊าซที่สามารถแพร่กระจายเข้าและออกจากปอดได้

หลักการพื้นฐานของการแลกเปลี่ยนก๊าซ

การแลกเปลี่ยนก๊าซระหว่างการหายใจเกิดขึ้นจากการแพร่กระจายเป็นหลัก การแพร่กระจายเป็นกระบวนการที่การขนส่งขับเคลื่อนด้วยการไล่ระดับความเข้มข้น โมเลกุลของแก๊สเคลื่อนจากบริเวณที่มีความเข้มข้นสูงไปยังบริเวณที่มีความเข้มข้นต่ำ เลือดที่มีความเข้มข้นของออกซิเจนต่ำและมีความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์สูงจะได้รับการแลกเปลี่ยนก๊าซกับอากาศในปอด อากาศในปอดมีความเข้มข้นของออกซิเจนสูงกว่าเลือดที่ขาดออกซิเจนและมีความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์ต่ำกว่า การไล่ระดับความเข้มข้นนี้ช่วยให้มีการแลกเปลี่ยนก๊าซระหว่างการหายใจ

ความดันบางส่วน เป็นการวัดความเข้มข้นของส่วนประกอบแต่ละส่วนในส่วนผสมของก๊าซ แรงดันรวมที่เกิดจากของผสมคือผลรวมของแรงดันบางส่วนของส่วนประกอบในส่วนผสม อัตราการแพร่กระจายของก๊าซเป็นสัดส่วนกับความดันบางส่วนภายในส่วนผสมของก๊าซทั้งหมด แนวคิดนี้จะกล่าวถึงรายละเอียดเพิ่มเติมด้านล่าง

ปริมาณและความจุของปอด

สัตว์ต่าง ๆ มีความจุปอดแตกต่างกันตามกิจกรรมของพวกมัน เสือชีตาห์มีการพัฒนาความจุปอดที่สูงกว่ามนุษย์มาก โดยช่วยให้ออกซิเจนไปยังกล้ามเนื้อทั้งหมดในร่างกายและช่วยให้วิ่งได้เร็วมากช้างยังมีความจุปอดสูง ในกรณีนี้ไม่ใช่เพราะวิ่งเร็วแต่เพราะว่าพวกมันมีขนาดใหญ่และต้องสามารถรับออกซิเจนตามขนาดร่างกายได้

ขนาดปอดของมนุษย์ถูกกำหนดโดยพันธุกรรม เพศ และส่วนสูง ที่ความจุสูงสุด ปอดโดยเฉลี่ยสามารถบรรจุอากาศได้เกือบหกลิตร แต่โดยปกติแล้วปอดจะไม่ทำงานที่ความจุสูงสุด อากาศในปอดวัดได้ในรูปของ ปริมาณปอด และ ความสามารถของปอด (รูปที่ 30.12 และตารางที่ 30.1) ปริมาตร วัดปริมาณอากาศสำหรับหนึ่งฟังก์ชัน (เช่น การหายใจเข้าหรือหายใจออก) ความจุคือปริมาตรตั้งแต่สองปริมาตรขึ้นไป (เช่น สามารถหายใจเข้าได้มากเท่าใดเมื่อสิ้นสุดการหายใจออกสูงสุด)

ปริมาตรในปอดสามารถแบ่งออกเป็นสี่หน่วย: ปริมาตรน้ำขึ้นน้ำลง ปริมาณสำรองสำหรับการหายใจ ปริมาตรสำรองสำหรับการหายใจ และปริมาตรที่เหลือ ปริมาณน้ำขึ้นน้ำลง (ทีวี) วัดปริมาณอากาศที่ได้รับแรงบันดาลใจและหมดอายุระหว่างการหายใจปกติ โดยเฉลี่ย ปริมาณนี้อยู่ที่ประมาณครึ่งลิตร ซึ่งน้อยกว่าความจุของขวดเครื่องดื่มขนาด 20 ออนซ์เล็กน้อย NS ปริมาณสำรองทางเดินหายใจ (ERV) คือปริมาณอากาศเพิ่มเติมที่สามารถหายใจออกได้หลังจากหายใจออกตามปกติ เป็นปริมาณสำรองที่สามารถหายใจออกได้มากกว่าปกติ ในทางกลับกัน ปริมาณสำรองทางเดินหายใจ (IRV) คือปริมาณอากาศเพิ่มเติมที่สามารถหายใจเข้าไปได้หลังจากการหายใจเข้าไปตามปกติ NS ปริมาณคงเหลือ (RV) คือ ปริมาณอากาศที่เหลือหลังจากหายใจออกโดยปริมาตรสำรอง ปอดไม่เคยว่างเปล่าเลย: มีอากาศเหลืออยู่ในปอดเสมอหลังจากการหายใจออกสูงสุด หากไม่มีปริมาตรที่เหลือนี้และปอดว่างเปล่าจนหมด เนื้อเยื่อปอดก็จะเกาะติดกัน และพลังงานที่จำเป็นในการเติมลมปอดอีกครั้งก็อาจมากเกินกว่าจะเอาชนะได้ จึงมีอากาศเหลืออยู่ในปอดอยู่เสมอ ปริมาณที่เหลือก็มีความสำคัญในการป้องกันความผันผวนอย่างมากของก๊าซทางเดินหายใจ (O2 และCO2). ปริมาตรที่เหลือเป็นปริมาตรปอดเพียงอย่างเดียวที่ไม่สามารถวัดได้โดยตรง เนื่องจากเป็นไปไม่ได้ที่จะล้างปอดในอากาศให้หมด ปริมาตรนี้สามารถคำนวณได้เท่านั้นแทนที่จะวัดได้

ความจุคือการวัดปริมาตรตั้งแต่สองปริมาตรขึ้นไป NS ความจุที่สำคัญ (VC) วัดปริมาณอากาศสูงสุดที่สามารถหายใจเข้าหรือหายใจออกได้ในระหว่างรอบการหายใจ คือผลรวมของปริมาณสำรองสำหรับการหายใจ ปริมาณน้ำขึ้นน้ำลง และปริมาณสำรองสำหรับการหายใจ NS ความสามารถในการหายใจ (IC) คือ ปริมาณอากาศที่สามารถหายใจเข้าได้หลังจากสิ้นสุดการหมดอายุตามปกติ ดังนั้นจึงเป็นผลรวมของปริมาณน้ำขึ้นน้ำลงและปริมาณสำรองสำหรับการหายใจ NS ความจุตกค้างตามการใช้งาน (FRC) รวมถึงปริมาณสำรองการหายใจออกและปริมาณคงเหลือ FRC วัดปริมาณอากาศเพิ่มเติมที่สามารถหายใจออกได้หลังจากหายใจออกตามปกติ สุดท้ายนี้ ความจุปอดทั้งหมด (TLC) คือการวัดปริมาณอากาศทั้งหมดที่ปอดรับได้ คือผลรวมของปริมาตรคงเหลือ ปริมาณสำรองการหายใจออก ปริมาณน้ำขึ้นน้ำลง และปริมาตรสำรองการหายใจ

วัดปริมาตรปอดด้วยเทคนิคที่เรียกว่า spirometry. การวัดที่สำคัญระหว่าง spirometry คือ ปริมาณการหายใจที่ถูกบังคับ (FEV)ซึ่งวัดปริมาณอากาศที่สามารถขับออกจากปอดในช่วงเวลาที่กำหนด โดยปกติแล้ว 1 วินาที (FEV1) นอกจากนี้ยังวัดความจุบังคับ (FVC) ซึ่งเป็นปริมาณอากาศทั้งหมดที่สามารถบังคับให้หายใจออกได้ อัตราส่วนของค่าเหล่านี้ (อัตราส่วน FEV1/FVC) ใช้ในการวินิจฉัยโรคปอด รวมทั้งโรคหอบหืด ถุงลมโป่งพอง และพังผืด หากอัตราส่วน FEV1/FVC สูง แสดงว่าปอดไม่เป็นไปตามข้อกำหนด (หมายความว่าแข็งและไม่สามารถโค้งงอได้อย่างเหมาะสม) และผู้ป่วยมักเป็นโรคปอดพังผืด ผู้ป่วยหายใจออกส่วนใหญ่ของปอดอย่างรวดเร็ว ในทางกลับกัน เมื่ออัตราส่วน FEV1/FVC ต่ำ จะเกิดการดื้อยาในปอดซึ่งเป็นลักษณะของโรคหอบหืด ในกรณีนี้ ผู้ป่วยจะดึงอากาศออกจากปอดได้ยาก และใช้เวลานานกว่าจะถึงระดับการหายใจออกสูงสุด ไม่ว่าในกรณีใดการหายใจลำบากและเกิดภาวะแทรกซ้อน

การเชื่อมต่ออาชีพ

นักบำบัดโรคทางเดินหายใจ

นักบำบัดโรคระบบทางเดินหายใจหรือผู้ปฏิบัติงานเกี่ยวกับระบบทางเดินหายใจประเมินและรักษาผู้ป่วยโรคปอดและโรคหลอดเลือดหัวใจ พวกเขาทำงานเป็นส่วนหนึ่งของทีมแพทย์เพื่อพัฒนาแผนการรักษาสำหรับผู้ป่วย นักบำบัดโรคระบบทางเดินหายใจอาจรักษาทารกที่คลอดก่อนกำหนดที่มีปอดด้อยพัฒนา ผู้ป่วยที่มีภาวะเรื้อรัง เช่น โรคหอบหืด หรือผู้ป่วยสูงอายุที่เป็นโรคปอด เช่น ถุงลมโป่งพองและโรคปอดอุดกั้นเรื้อรัง (COPD) พวกเขาอาจใช้อุปกรณ์ขั้นสูง เช่น ระบบส่งก๊าซอัด เครื่องช่วยหายใจ เครื่องวิเคราะห์ก๊าซในเลือด และเครื่องช่วยชีวิต โปรแกรมเฉพาะทางเพื่อเป็นนักบำบัดโรคทางเดินหายใจโดยทั่วไปจะนำไปสู่การศึกษาระดับปริญญาตรีที่มีความเชี่ยวชาญเฉพาะด้านนักบำบัดโรคทางเดินหายใจ เนื่องจากจำนวนประชากรสูงอายุที่เพิ่มขึ้น โอกาสในการทำงานในฐานะนักบำบัดโรคระบบทางเดินหายใจจึงคาดว่าจะยังคงแข็งแกร่ง

แรงดันแก๊สและการหายใจ

กระบวนการทางเดินหายใจสามารถเข้าใจได้ดีขึ้นโดยการตรวจสอบคุณสมบัติของก๊าซ ก๊าซเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ แต่อนุภาคของก๊าซจะกระทบกับผนังของภาชนะอย่างต่อเนื่อง ทำให้เกิดแรงดันแก๊ส

อากาศเป็นส่วนผสมของก๊าซ โดยเฉพาะไนโตรเจน (N2 78.6 เปอร์เซ็นต์), ออกซิเจน (O2 20.9 เปอร์เซ็นต์), ไอน้ำ (H2O 0.5 เปอร์เซ็นต์) และคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2 0.04 เปอร์เซ็นต์) ส่วนประกอบก๊าซแต่ละส่วนของส่วนผสมนั้นออกแรงดัน ความดันของก๊าซแต่ละตัวในส่วนผสมคือความดันบางส่วนของก๊าซนั้น ก๊าซในบรรยากาศประมาณ 21 เปอร์เซ็นต์เป็นออกซิเจน อย่างไรก็ตาม คาร์บอนไดออกไซด์พบได้ในปริมาณที่ค่อนข้างน้อย 0.04 เปอร์เซ็นต์ ความดันบางส่วนสำหรับออกซิเจนนั้นมากกว่าความดันของคาร์บอนไดออกไซด์ ความดันบางส่วนของก๊าซใด ๆ สามารถคำนวณได้โดย:

NSATM, ความดันบรรยากาศ คือผลรวมของความดันบางส่วนทั้งหมดของก๊าซในบรรยากาศที่รวมเข้าด้วยกัน

× (เปอร์เซ็นต์เนื้อหาในส่วนผสม)

ความดันบรรยากาศที่ระดับน้ำทะเล 760 มม. ปรอท ดังนั้นความดันบางส่วนของออกซิเจนคือ:

บนที่สูง PATM ลดลงแต่ความเข้มข้นไม่เปลี่ยนความดันบางส่วนลดลงเนื่องจากการลดลงของPATM.

เมื่อส่วนผสมของอากาศไปถึงปอด จะได้รับความชื้น ความดันของไอน้ำในปอดไม่ได้เปลี่ยนความดันของอากาศ แต่ต้องรวมอยู่ในสมการความดันบางส่วน สำหรับการคำนวณนี้ แรงดันน้ำ (47 มม. ปรอท) จะถูกลบออกจากความดันบรรยากาศ:

และความดันบางส่วนของออกซิเจนคือ:

ความดันเหล่านี้จะกำหนดการแลกเปลี่ยนก๊าซหรือการไหลของก๊าซในระบบ ออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์จะไหลตามไล่ระดับความดันจากสูงไปต่ำ ดังนั้นการทำความเข้าใจความดันบางส่วนของก๊าซแต่ละชนิดจะช่วยให้เข้าใจว่าก๊าซเคลื่อนที่อย่างไรในระบบทางเดินหายใจ

การแลกเปลี่ยนก๊าซทั่วAlveoli

ในร่างกาย เซลล์ของเนื้อเยื่อของร่างกายใช้ออกซิเจนและผลิตก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เป็นของเสีย อัตราส่วนของการผลิตคาร์บอนไดออกไซด์ต่อการใช้ออกซิเจนคือ ความฉลาดทางการหายใจ (RQ). RQ แตกต่างกันระหว่าง 0.7 ถึง 1.0 หากใช้กลูโคสเพียงอย่างเดียวในการเติมเชื้อเพลิงให้กับร่างกาย RQ จะเท่ากับหนึ่ง ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์หนึ่งโมลจะถูกสร้างขึ้นสำหรับทุกๆ โมลของออกซิเจนที่บริโภค อย่างไรก็ตาม กลูโคสไม่ใช่เชื้อเพลิงเพียงอย่างเดียวสำหรับร่างกาย โปรตีนและไขมันยังใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับร่างกายอีกด้วย ด้วยเหตุนี้ คาร์บอนไดออกไซด์จึงผลิตได้น้อยกว่าการใช้ออกซิเจน และ RQ โดยเฉลี่ยอยู่ที่ 0.7 สำหรับไขมันและประมาณ 0.8 สำหรับโปรตีน

สังเกตว่าความดันนี้น้อยกว่าอากาศภายนอก ดังนั้นออกซิเจนจะไหลจากอากาศที่ได้รับแรงบันดาลใจในปอด ( P O 2 P O 2 = 150 mm Hg) เข้าสู่กระแสเลือด ( P O 2 P O 2 = 100 mm Hg) (รูปที่ 30.13)


การแลกเปลี่ยนก๊าซทั่วAlveoli

ในร่างกาย เซลล์ของเนื้อเยื่อของร่างกายใช้ออกซิเจนและผลิตก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เป็นของเสีย อัตราส่วนของการผลิตคาร์บอนไดออกไซด์ต่อการใช้ออกซิเจนคือ ความฉลาดทางการหายใจ (RQ). RQ แตกต่างกันระหว่าง 0.7 ถึง 1.0 หากใช้กลูโคสเพียงอย่างเดียวในการเติมเชื้อเพลิงให้กับร่างกาย RQ จะเท่ากับหนึ่ง ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์หนึ่งโมลจะถูกสร้างขึ้นสำหรับทุกๆ โมลของออกซิเจนที่บริโภค อย่างไรก็ตาม กลูโคสไม่ใช่เชื้อเพลิงเพียงอย่างเดียวสำหรับร่างกาย โปรตีนและไขมันยังใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับร่างกายอีกด้วย ด้วยเหตุนี้ คาร์บอนไดออกไซด์จึงผลิตได้น้อยกว่าการใช้ออกซิเจน และ RQ โดยเฉลี่ยอยู่ที่ 0.7 สำหรับไขมันและประมาณ 0.8 สำหรับโปรตีน

RQ ใช้ในการคำนวณความดันบางส่วนของออกซิเจนในช่องว่างภายในปอด ถุงPโอ2. ด้านบน ความดันบางส่วนของออกซิเจนในปอดคำนวณได้ 150 มม. ปรอท อย่างไรก็ตาม ปอดไม่เคยปล่อยลมออกจนสุดด้วยการหายใจออก ดังนั้น อากาศที่ได้รับแรงบันดาลใจจะผสมกับอากาศที่เหลือนี้ และลดความดันบางส่วนของออกซิเจนภายในถุงลม ซึ่งหมายความว่ามีความเข้มข้นของออกซิเจนในปอดต่ำกว่าที่พบในอากาศภายนอกร่างกาย เมื่อรู้ RQ ความดันบางส่วนของออกซิเจนในถุงลมสามารถคำนวณได้:

ด้วย RQ 0.8 และ PCO2 ในถุงลม 40 มม. ปรอท ถุง Pโอ2 เท่ากับ:

ถุงPโอ2 = 150 mm Hg − (40 mm Hg/0.8) = mm Hg

สังเกตว่าความดันนี้น้อยกว่าอากาศภายนอก ดังนั้นออกซิเจนจะไหลจากอากาศที่ได้รับแรงบันดาลใจในปอด ( P O 2 = 150 mm Hg) เข้าสู่กระแสเลือด ( P O 2 = 100 mm Hg) (รูปที่ 2)

ในปอด ออกซิเจนจะกระจายออกจากถุงลมและเข้าไปในเส้นเลือดฝอยรอบๆ ถุงลม ออกซิเจน (ประมาณ 98 เปอร์เซ็นต์) จะจับกับฮีโมโกลบินของเม็ดสีระบบทางเดินหายใจที่พบในเซลล์เม็ดเลือดแดง (RBCs) แบบย้อนกลับได้ RBCs นำออกซิเจนไปยังเนื้อเยื่อที่ออกซิเจนแยกตัวออกจากเฮโมโกลบินและแพร่กระจายไปยังเซลล์ของเนื้อเยื่อ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ถุง PO 2 นั้นสูงกว่าในถุงลม ( P ALVO 2 = 100 มม. ปรอท) มากกว่าเลือด P O 2 (40 มม. ปรอท) ในเส้นเลือดฝอย เนื่องจากการไล่ระดับความดันนี้มีอยู่ ออกซิเจนจะกระจายการไล่ระดับความดันลง เคลื่อนออกจากถุงลมและเข้าสู่กระแสเลือดของเส้นเลือดฝอยโดยที่ O2 จับกับเฮโมโกลบิน ในเวลาเดียวกัน ถุง P CO 2 จะต่ำกว่า P ALVO 2 = 40 มม. ปรอท เมื่อเทียบกับเลือด P CO 2 = (45 มม. ปรอท) CO2 กระจายความดันไล่ระดับลง เคลื่อนออกจากเส้นเลือดฝอยและเข้าสู่ถุงลม

ออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์เคลื่อนที่อย่างอิสระจากกัน พวกมันจะกระจายไปตามระดับแรงดันของพวกมันเอง เมื่อเลือดออกจากปอดผ่านทางเส้นเลือดในปอด หลอดเลือดดำ PO 2 = 100 มม. ปรอท ในขณะที่ หลอดเลือดดำ P CO 2 = 40 มม. ปรอท เมื่อเลือดเข้าสู่เส้นเลือดฝอยในระบบ เลือดจะสูญเสียออกซิเจนและได้รับคาร์บอนไดออกไซด์เนื่องจากความดันต่างกันของเนื้อเยื่อและเลือด ในเส้นเลือดฝอยที่เป็นระบบ P O 2 = 100 mm Hg แต่ในเซลล์เนื้อเยื่อ P O 2 = 40 mm Hg การไล่ระดับความดันนี้จะขับออกซิเจนออกจากเส้นเลือดฝอยและเข้าไปในเซลล์เนื้อเยื่อ ในขณะเดียวกัน เลือด P CO 2 = 40 มม. ปรอท และเนื้อเยื่อระบบ P CO 2 = 45 มม. ปรอท เกรเดียนต์แรงดันขับCO2 ออกจากเซลล์เนื้อเยื่อและเข้าสู่เส้นเลือดฝอย เลือดที่กลับสู่ปอดผ่านทางหลอดเลือดแดงในปอดมีเลือดดำ P O 2 = 40 mm Hg และ P CO 2 = 45 mm Hg เลือดเข้าสู่เส้นเลือดฝอยในปอดซึ่งกระบวนการแลกเปลี่ยนก๊าซระหว่างเส้นเลือดฝอยกับถุงลมจะเริ่มขึ้นอีกครั้ง (รูปที่ 2)

ศิลปะการเชื่อมต่อ

รูปที่ 2 ความดันบางส่วนของออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์เปลี่ยนไปเมื่อเลือดไหลผ่านร่างกาย

ข้อความใดต่อไปนี้เป็นเท็จ

  1. ในเนื้อเยื่อ PO 2 จะลดลงเมื่อเลือดไหลจากหลอดเลือดแดงไปยังเส้นเลือด ในขณะที่ P CO 2 เพิ่มขึ้น
  2. เลือดเดินทางจากปอดไปยังหัวใจไปยังเนื้อเยื่อของร่างกาย จากนั้นกลับสู่หัวใจ จากนั้นไปที่ปอด
  3. เลือดเดินทางจากปอดไปยังหัวใจไปยังเนื้อเยื่อของร่างกาย จากนั้นกลับสู่ปอด จากนั้นไปที่หัวใจ
  4. P O 2 อยู่ในอากาศสูงกว่าในปอด

กล่าวโดยย่อ การเปลี่ยนแปลงความดันบางส่วนจากถุงลมไปยังเส้นเลือดฝอยจะขับออกซิเจนเข้าสู่เนื้อเยื่อ และคาร์บอนไดออกไซด์เข้าสู่กระแสเลือดจากเนื้อเยื่อ จากนั้นเลือดจะถูกส่งไปยังปอด ซึ่งความแตกต่างของความดันในถุงลมส่งผลให้มีการเคลื่อนไหวของคาร์บอนไดออกไซด์ออกจากเลือดไปยังปอด และออกซิเจนเข้าสู่กระแสเลือด

ลิงค์การเรียนรู้

ดูวิดีโอนี้เพื่อเรียนรู้วิธีดำเนินการ spirometry


ประเภทของการหายใจ

ประเภทของการหายใจในมนุษย์ ได้แก่ หายใจไม่ออก ภาวะหายใจเกิน หายใจด้วยกระบังลม และการหายใจด้วยกระดูกซี่โครง การหายใจแต่ละครั้งต้องใช้กระบวนการที่แตกต่างกันเล็กน้อย

วัตถุประสงค์การเรียนรู้

แยกแยะประเภทของการหายใจในคน สัตว์ครึ่งบกครึ่งน้ำ และนก

ประเด็นที่สำคัญ

ประเด็นสำคัญ

  • Eupnea เป็นการหายใจที่เงียบตามปกติซึ่งต้องการการหดตัวของไดอะแฟรมและกล้ามเนื้อระหว่างซี่โครงภายนอก
  • การหายใจแบบกะบังลมต้องอาศัยการหดตัวของกะบังลมและเรียกอีกอย่างว่าการหายใจลึกๆ
  • การหายใจแบบกระดูกซี่โครงต้องใช้การหดตัวของกล้ามเนื้อระหว่างซี่โครงและเรียกอีกอย่างว่าการหายใจตื้น
  • Hyperpnea คือการหายใจแบบบังคับและต้องการการหดตัวของกล้ามเนื้อระหว่างการหายใจออกและการหายใจออก เช่น การหดตัวของไดอะแฟรม กล้ามเนื้อระหว่างซี่โครง และกล้ามเนื้อเสริม
  • สัตว์สะเทินน้ำสะเทินบกใช้เหงือกในการหายใจตั้งแต่อายุยังน้อยและต่อมาพัฒนาปอดดึกดำบรรพ์ในวัยผู้ใหญ่ นอกจากนี้ พวกมันยังสามารถหายใจทางผิวหนังได้
  • นกได้พัฒนาระบบทางเดินหายใจตามทิศทางที่ช่วยให้พวกมันได้รับออกซิเจนที่ระดับความสูง: อากาศไหลไปในทิศทางเดียวในขณะที่เลือดไหลไปอีกทางหนึ่ง ทำให้แลกเปลี่ยนก๊าซได้อย่างมีประสิทธิภาพ

คำสำคัญ

  • อุบล: ปกติ หายใจโล่ง สุขภาพดี หายใจเข้าออก
  • hyperpnea: การหายใจลึกและเร็วที่เกิดขึ้นตามปกติหลังออกกำลังกายหรือมีไข้ผิดปกติหรือมีอาการผิดปกติต่างๆ
  • ระหว่างซี่โครง: ระหว่างซี่โครงของสัตว์หรือคน

ประเภทของการหายใจ

การหายใจมีหลายประเภทหรือหลายแบบที่ต้องใช้กระบวนการที่แตกต่างกันเล็กน้อยเพื่อให้เกิดแรงบันดาลใจและหมดอายุ สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมทั้งหมดมีปอดที่เป็นอวัยวะหลักในการหายใจ ความจุปอดได้รับการพัฒนาเพื่อรองรับกิจกรรมของสัตว์ ในระหว่างการหายใจเข้า ปอดจะขยายตัวพร้อมกับอากาศและออกซิเจนจะกระจายไปทั่วพื้นผิวของปอดและเข้าสู่กระแสเลือด ระหว่างการหายใจออก ปอดจะขับอากาศออกและปริมาตรของปอดจะลดลง การหายใจประเภทต่างๆ โดยเฉพาะในมนุษย์ ได้แก่

1) Eupnea: โหมดการหายใจที่เกิดขึ้นขณะพักและไม่ต้องการความคิดทางปัญญาของแต่ละบุคคล ระหว่าง eupnea หรือที่เรียกว่าการหายใจแบบเงียบ กะบังลมและซี่โครงภายนอกจะต้องหดตัว

2) การหายใจแบบกะบังลม: โหมดการหายใจที่ต้องการให้กะบังลมหดตัว เมื่อไดอะแฟรมผ่อนคลาย อากาศก็จะออกจากปอดอย่างเงียบๆ การหายใจประเภทนี้เรียกอีกอย่างว่าการหายใจลึกๆ

การหายใจแบบกะบังลม: ภาพเคลื่อนไหวของการหายใจออกและการหายใจเข้าของกะบังลม แสดงให้เห็นถึงการหายใจของกระบังลม ในระหว่างการหายใจเข้าไป ไดอะแฟรมจะหดตัวซึ่งจะเป็นการเพิ่มปริมาตรของโพรงปอด ในระหว่างการหายใจออก ไดอะแฟรมจะคลายตัวซึ่งทำให้ปริมาตรของโพรงปอดลดลง

3) การหายใจแบบ costal: โหมดการหายใจที่ต้องหดตัวของกล้ามเนื้อระหว่างซี่โครง เมื่อกล้ามเนื้อระหว่างซี่โครงคลายตัว อากาศก็จะออกจากปอดอย่างเงียบๆ การหายใจประเภทนี้เรียกอีกอย่างว่าการหายใจตื้น

4) Hyperpnea: โหมดการหายใจที่อาจเกิดขึ้นระหว่างการออกกำลังกายหรือการกระทำที่ต้องใช้การควบคุมการหายใจเช่นการร้องเพลง ในช่วง hyperpnea หรือที่เรียกว่าการหายใจแบบบังคับ แรงบันดาลใจและการหมดอายุเกิดขึ้นเนื่องจากการหดตัวของกล้ามเนื้อ นอกจากการหดตัวของไดอะแฟรมและกล้ามเนื้อระหว่างซี่โครงแล้ว กล้ามเนื้อเสริมอื่นๆ ยังต้องหดตัวด้วย ในระหว่างการบังคับแรงบันดาลใจ กล้ามเนื้อของคอรวมถึงเกล็ดจะหดตัวและยกผนังทรวงอกทำให้ปริมาตรของปอดเพิ่มขึ้น ในระหว่างการบังคับหมดอายุ กล้ามเนื้อส่วนเสริมของช่องท้อง รวมทั้งส่วนเฉียง หดตัว บังคับอวัยวะในช่องท้องให้ชิดกับไดอะแฟรม วิธีนี้จะช่วยดันไดอะแฟรมเข้าไปในทรวงอก ดันอากาศออกมากขึ้น นอกจากนี้ กล้ามเนื้อเสริม (โดยหลักคือซี่โครงภายใน) ยังช่วยกดทับซี่โครง ซึ่งยังช่วยลดปริมาตรของช่องอกอีกด้วย

ประเภทของการหายใจในสัตว์ครึ่งบกครึ่งน้ำและนก

ในสัตว์เช่นสัตว์ครึ่งบกครึ่งน้ำ มีการหายใจหลายวิธีที่พัฒนาขึ้น ในสัตว์ครึ่งบกครึ่งน้ำ เช่น ลูกอ๊อดที่ไม่ทิ้งน้ำ เหงือกจะใช้ในการหายใจ มีสัตว์ครึ่งบกครึ่งน้ำบางตัวที่รักษาเหงือกไว้ตลอดชีวิต เมื่อลูกอ๊อดโตขึ้น เหงือกจะหายไปและปอดก็โตขึ้น ปอดเหล่านี้เป็นปอดดั้งเดิมและไม่ได้มีวิวัฒนาการเหมือนปอดของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม สัตว์ครึ่งบกครึ่งน้ำที่โตเต็มวัยขาดหรือมีไดอะแฟรมลดลง ดังนั้นการหายใจทางปอดจึงถูกบังคับ อีกวิธีในการหายใจสำหรับสัตว์ครึ่งบกครึ่งน้ำคือการแพร่กระจายไปทั่วผิวหนัง เพื่อช่วยการแพร่กระจายนี้ ผิวหนังสัตว์ครึ่งบกครึ่งน้ำจะต้องคงความชุ่มชื้นไว้

สัตว์อื่นๆ เช่น นก ต้องเผชิญกับความท้าทายเฉพาะในเรื่องการหายใจ ซึ่งก็คือพวกมันบินได้ การบินใช้พลังงานจำนวนมาก ดังนั้นนกจึงต้องการออกซิเจนจำนวนมากเพื่อช่วยในกระบวนการเผาผลาญของพวกมัน พวกเขาได้พัฒนาระบบทางเดินหายใจที่ให้ออกซิเจนที่จำเป็นต่อการบิน เช่นเดียวกับสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม นกมีปอด ซึ่งเป็นอวัยวะที่เชี่ยวชาญในการแลกเปลี่ยนก๊าซ อากาศที่เติมออกซิเจนเข้าไปในระหว่างการหายใจเข้าไปจะกระจายไปทั่วพื้นผิวของปอดเข้าสู่กระแสเลือด ในขณะที่ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จะกระจายจากเลือดไปยังปอดและถูกขับออกระหว่างการหายใจออก อย่างไรก็ตาม รายละเอียดของการหายใจระหว่างนกกับสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมมีความแตกต่างกันอย่างมาก

นอกจากปอดแล้ว นกยังมีถุงลมภายในร่างกายที่ติดอยู่กับปอด อากาศไหลไปในทิศทางเดียวจากถุงลมด้านหลังไปยังปอดและออกจากถุงลมด้านหน้า การไหลของอากาศเป็นไปในทิศทางตรงกันข้ามกับการไหลเวียนของเลือด ซึ่งช่วยให้การแลกเปลี่ยนก๊าซมีประสิทธิภาพ การหายใจประเภทนี้ช่วยให้นกได้รับออกซิเจนที่จำเป็น แม้ในระดับความสูงที่สูงกว่าที่ความเข้มข้นของออกซิเจนต่ำ ทิศทางการไหลของอากาศนี้ต้องใช้อากาศเข้าและหายใจออกสองรอบเพื่อกำจัดอากาศออกจากปอดอย่างสมบูรณ์

ระบบทางเดินหายใจของนก: (ก) นกมีระบบหายใจที่ไหลผ่านซึ่งอากาศไหลไปทางเดียวจากถุงลมหลังไปยังปอด จากนั้นเข้าสู่ถุงลมหน้า ถุงลมเชื่อมต่อกับช่องเปิดในกระดูกกลวง (b) ไดโนเสาร์ที่นกลงมามีกระดูกกลวงคล้าย ๆ กันและเชื่อว่ามีระบบทางเดินหายใจที่คล้ายคลึงกัน


การหายใจหรือการระบายอากาศ

เราสามารถหายใจเข้าโดยลดไดอะแฟรมลงเพื่อขยายปริมาตรของช่องอก ตามกฎของแก๊สในอุดมคติ เรารู้ว่าปริมาตรที่เพิ่มขึ้นจะลดความดันลงและทำให้อากาศไหลเข้าสู่ปอดผ่านทางหลอดลมได้ การหายใจออกสามารถทำได้โดยเพียงแค่ผ่อนคลายหน้าอกและปล่อยให้ถุงลมหดตัวแบบยืดหยุ่นเพื่อบังคับให้อากาศออกจากปอด การหดตัวแบบยืดหยุ่นนี้เกี่ยวข้องกับแรงตึงของผนังของถุงลมและทำงานตามกฎของ LaPlace

แผนภาพด้านบนเป็นไปตามมุมมองของ Thibadeau & Patton เมื่อได้รับแรงบันดาลใจ ความดันในถุงลมจะอยู่ที่ 2-3 mmHg ซึ่งต่ำกว่าความดันบรรยากาศที่ 760 mmHg การคลายตัวของไดอะแฟรมบวกกับการหดตัวแบบยืดหยุ่นของถุงลมทำให้เกิดแรงดันเหนือความดันบรรยากาศประมาณ 3 mmHg เพื่อให้หมดอายุ ทางขวามือเป็นภาพร่างแบบจำลองปอดที่ใช้แสดงธรรมชาติของกระบวนการหายใจ เมมเบรนยางจำลองการทำงานของไดอะแฟรม


กายวิภาคศาสตร์และสรีรวิทยา: กฎของแก๊สและการหายใจ

นักศึกษาวิชาเคมีทุกคนเรียนรู้กฎแก๊สพื้นฐานสามข้อ ได้แก่ กฎของชาร์ลส์ กฎของบอยล์ และกฎของดาลตัน ในแง่ของการหายใจ กฎของชาร์ลส์ใช้น้อยที่สุดเนื่องจากอุณหภูมิของร่างกายแทบไม่เปลี่ยนแปลงมากนัก กฎของชาร์ลส์ระบุความดันคงที่ที่กำหนดเมื่ออุณหภูมิของแก๊สเพิ่มขึ้นความดันก็เช่นกัน อย่างไรก็ตาม กฎของ Boyle และ Dalton มีผลบังคับใช้อย่างมาก

เนื้อหาภายใต้ความกดดัน

กฎของบอยล์หมายถึงความสัมพันธ์ผกผันอย่างง่ายระหว่างปริมาตรและความดัน เมื่อปริมาตรของภาชนะเพิ่มขึ้น ความดันของก๊าซภายในภาชนะจะลดลง ในทางกลับกัน ขนาดของภาชนะที่ลดลงจะทำให้แรงดันของก๊าซภายในเพิ่มขึ้น ในแง่ของภาชนะบรรจุ ให้นึกถึงช่องอก ช่องทรวงอกถูกล้อมรอบด้วยกรงซี่โครงและไดอะแฟรม แม้ว่าภายในปอดจะเปิดออกสู่ภายนอกโดยตรง แต่พื้นที่นอกปอดกลับไม่เปิดออก อย่างที่คุณเห็น นี่เป็นสิ่งสำคัญมากในความสามารถในการหายใจของคุณ

ยืดกล้ามเนื้อของคุณ

ตัวอย่างที่ดีคือนำขวดโซดาเปล่าขนาด 2 ลิตรที่ปิดฝาออกแล้วบีบออก มันไม่ได้ต่อต้านมาก ใส่หมวกแล้วลองบีบอีกครั้ง ณ จุดนี้ โมเลกุลของก๊าซภายในจะได้รับผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงของปริมาตร เพิ่มแรงดัน และดันกลับเข้าไปที่กล้ามเนื้อมือของคุณ

รูปที่ 13.7 การควบคุมแรงดันแก๊ส (ตามกฎของบอยล์) ถูกควบคุมโดยการหดตัวของไดอะแฟรมและซี่โครง

อย่าหยุดร้อง

กล้ามเนื้อจำนวนมากเกี่ยวข้องกับการหายใจ บางส่วนเช่นกล้ามเนื้อซี่โครงภายในและภายนอกควบคุมการเคลื่อนไหวของกรงซี่โครงคนอื่นควบคุมการเคลื่อนไหวของช่องท้อง อย่างไรก็ตาม กล้ามเนื้อที่สำคัญที่สุดในการหายใจคือไดอะแฟรม ไดอะแฟรมเป็นกล้ามเนื้อรูปโดม และเหมือนกับกล้ามเนื้อทุกส่วน มันเคลื่อนไหวโดยการเกร็งตัว รูปร่างโดมมีความสำคัญ เนื่องจากเมื่อไดอะแฟรมหดตัว ส่วนโค้งของโดมจะแบนราบและตื้นขึ้น เมื่อไดอะแฟรมหดตัว ช่องทรวงอกก็จะใหญ่ขึ้น (ดูรูปที่ 13.7)

การเพิ่มปริมาตรของช่องทรวงอกหมายถึงความดันลดลงเล็กน้อย ณ จุดนี้ความดันของอากาศภายนอกจะสูงกว่าความดันภายในช่องอกเล็กน้อย เนื่องจากความดันเคลื่อนตัวเช่นเดียวกับการแพร่กระจายจากสูงไปต่ำ อากาศภายนอกจึงวิ่งเข้ามาและเติมเต็มปอด รูปทรงโดมจะกลับคืนสู่สภาพเดิมอีกครั้งเมื่อไดอะแฟรมคลายตัว เนื่องจากการคลายตัวจะทำให้ไดอะแฟรมกลับมามีรูปทรงโดมอีกครั้งในกระบวนการที่เรียกว่าการดีดกลับแบบยืดหยุ่น ซึ่งจะช่วยลดปริมาตรของช่องทรวงอก เพิ่มแรงดัน และดันอากาศออก การเปลี่ยนแปลงของความดันไม่จำเป็นต้องมาก อย่างไรก็ตาม สำหรับการหายใจปกติ ความดันภายในโพรงทรวงอกเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยเท่านั้น: ความกดอากาศที่ระดับน้ำทะเล = 760 mm Hg (ปรอท) การหายใจเข้าปกติ = 759 mm Hg การหายใจออกปกติ = 761 mm ปรอท!

รถเข็นชน

หนึ่งในข้อผิดพลาดที่พบบ่อยที่สุดที่นักเรียนทำคือการอ้างถึง ?การดูดอากาศ? หรือ ?ดูดฟาง.? เมื่อคิดถึงการดูด พวกเขาคิดว่าอากาศกำลังถูกดึงเข้าไปในฟางหรือในเครื่องดูดฝุ่น ไม่มีอะไรเพิ่มเติมจากความจริง! NS ต่ำกว่า ความดันภายใน ปาก อนุญาตให้ สูงกว่า ความดันใน อากาศ เพื่อดันของเหลวที่คุณกำลังดื่มลงไปบนพื้นผิว จึงดันของเหลวขึ้นไปบนหลอด ไม่มีแรงดูด? ในสาขาวิทยาศาสตร์ หรือที่รู้จักกันในชื่อ ?Nothing Sucks in Science!?

กฎของดาลตันและความกดดันบางส่วน

กฎของดาลตันระบุว่าก๊าซแต่ละชนิดในสารละลายแก๊ส (เช่น อากาศ) ออกแรงดันของตัวเองตามความเข้มข้นในสารละลาย (ดูรูปที่ 13.8) อากาศที่คุณหายใจประกอบด้วยก๊าซสองชนิด: ไนโตรเจน (78.6 เปอร์เซ็นต์) และออกซิเจน (20.9 เปอร์เซ็นต์) ส่วนที่เหลือเพียง 0.5 เปอร์เซ็นต์ส่วนใหญ่เป็นน้ำแม้ว่าในฤดูร้อนบนชายฝั่งตะวันออกจะรู้สึกเหมือนมากขึ้น! น่าแปลกที่คาร์บอนไดออกไซด์มีเพียง 0.04 เปอร์เซ็นต์ของอากาศ!

ใช้ ?P? หรือ ?พี? สำหรับความดันบางส่วน อากาศตามสูตรนี้สำหรับความดันบางส่วน:

ด้วยเปอร์เซ็นต์จากด้านบน:

รูปที่ 13.8 ก๊าซแต่ละชนิดในอากาศมีแรงดันบางส่วนต่างกัน (กฎของดาลตัน) (ไมเคิล เจ. วิเอร่า ลาซารอฟ)

ในถุงลม คาร์บอนไดออกไซด์ถึง 5.2 เปอร์เซ็นต์ ด้วยความดันบางส่วนที่ 40 มม. ปรอท ซึ่งสูงกว่าความดันในอากาศถึง 1,000 เท่า! อย่างที่คุณจินตนาการได้ คุณไม่มีปัญหาในการกำจัดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์! ในทางกลับกัน ระดับออกซิเจนลดลงต่ำสุดที่ 13.2 เปอร์เซ็นต์ หรือความดันบางส่วนอยู่ที่ 100 มม. ปรอท เห็นได้ชัดว่าคุณไม่ได้ใช้ออกซิเจนทั้งหมดในทุกลมหายใจ ข่าวดีสำหรับผู้ที่ติดอยู่กับออกซิเจนในปริมาณจำกัด!

ตัดตอนมาจาก The Complete Idiot's Guide to Anatomy and Physiology 2004 โดย Michael J. Vieira Lazaroff สงวนลิขสิทธิ์รวมถึงสิทธิ์ในการทำสำเนาทั้งหมดหรือบางส่วนในรูปแบบใด ๆ ใช้โดยตกลงกับ หนังสืออัลฟ่าสมาชิกของ Penguin Group (USA) Inc.


BIO 140 - ชีววิทยามนุษย์ 1 - ตำรา

/>
เว้นแต่จะระบุไว้เป็นอย่างอื่น งานนี้ได้รับอนุญาตภายใต้ Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License..

ในการพิมพ์หน้านี้:

คลิกที่ไอคอนเครื่องพิมพ์ที่ด้านล่างของหน้าจอ

งานพิมพ์ของคุณไม่สมบูรณ์หรือไม่?

ตรวจสอบให้แน่ใจว่างานพิมพ์ของคุณมีเนื้อหาทั้งหมดจากหน้า หากไม่เป็นเช่นนั้น ให้ลองเปิดคู่มือนี้ในเบราว์เซอร์อื่นและพิมพ์จากที่นั่น (บางครั้ง Internet Explorer ทำงานได้ดีกว่า บางครั้ง Chrome บางครั้ง Firefox เป็นต้น)

บทที่ 30

แลกเปลี่ยนแก๊ส

  • เปรียบเทียบองค์ประกอบของอากาศในบรรยากาศและอากาศในถุงลม
  • อธิบายกลไกที่ขับเคลื่อนการแลกเปลี่ยนก๊าซ
  • อภิปรายถึงความสำคัญของการระบายอากาศและการไหลเวียนที่เพียงพอและวิธีที่ร่างกายปรับตัวเมื่อไม่เพียงพอ
  • อภิปรายกระบวนการหายใจภายนอก
  • อธิบายกระบวนการหายใจภายใน

จุดประสงค์ของระบบทางเดินหายใจคือการแลกเปลี่ยนก๊าซ การระบายอากาศในปอดให้อากาศแก่ถุงลมสำหรับกระบวนการแลกเปลี่ยนก๊าซนี้ ที่เยื่อหุ้มทางเดินหายใจซึ่งผนังถุงลมและผนังเส้นเลือดฝอยมาบรรจบกัน ก๊าซจะเคลื่อนผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ โดยออกซิเจนจะเข้าสู่กระแสเลือดและก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ออก ผ่านกลไกนี้ที่เลือดออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ของเสียจากการหายใจของเซลล์จะถูกลบออกจากร่างกาย

แลกเปลี่ยนแก๊ส

เพื่อให้เข้าใจกลไกการแลกเปลี่ยนก๊าซในปอด สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจหลักการพื้นฐานของก๊าซและพฤติกรรมของพวกมัน นอกจากกฎของบอยล์แล้ว กฎของแก๊สอื่นๆ อีกหลายข้อยังช่วยอธิบายพฤติกรรมของแก๊สอีกด้วย

กฎหมายแก๊สและองค์ประกอบอากาศ

โมเลกุลของแก๊สออกแรงบนพื้นผิวที่พวกมันสัมผัสแรงนี้เรียกว่าแรงดัน ในระบบธรรมชาติ ก๊าซมักจะปรากฏเป็นส่วนผสมของโมเลกุลประเภทต่างๆ ตัวอย่างเช่น ในบรรยากาศประกอบด้วยออกซิเจน ไนโตรเจน คาร์บอนไดออกไซด์ และโมเลกุลของก๊าซอื่นๆ และส่วนผสมของก๊าซนี้จะทำให้เกิดแรงดันที่เรียกว่าความดันบรรยากาศ (ตารางที่ 1) ความดันบางส่วน (NSNS) คือความดันของก๊าซชนิดเดียวในส่วนผสมของก๊าซ ตัวอย่างเช่น ในบรรยากาศ ออกซิเจนออกแรงดันบางส่วน และไนโตรเจนออกแรงดันบางส่วน โดยไม่ขึ้นกับแรงดันบางส่วนของออกซิเจน (รูปที่ 1) แรงดันรวมคือผลรวมของแรงดันบางส่วนทั้งหมดของของผสมก๊าซ กฎของดาลตันอธิบายพฤติกรรมของก๊าซที่ไม่ทำปฏิกิริยาในส่วนผสมของก๊าซ และระบุว่าก๊าซชนิดหนึ่งในส่วนผสมจะมีแรงดันในตัวเอง ดังนั้น ความดันรวมที่เกิดจากส่วนผสมของก๊าซคือผลรวมของแรงดันบางส่วนของก๊าซในส่วนผสม .

ตารางที่ 1: ความกดดันบางส่วนของก๊าซในบรรยากาศ

แก๊ส เปอร์เซ็นต์ขององค์ประกอบทั้งหมด ความดันบางส่วน
(มม. ปรอท)
ไนโตรเจน (N2) 78.6 597.4
ออกซิเจน (O2) 20.9 158.8
น้ำ (H2อ) 0.4 3.0
คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) 0.04 0.3
คนอื่น 0.06 0.5
องค์ประกอบทั้งหมด/ความดันบรรยากาศรวม 100% 760.0

รูปที่ 1: ความดันบางส่วนคือแรงที่กระทำโดยแก๊ส ผลรวมของแรงดันบางส่วนของก๊าซทั้งหมดในส่วนผสมเท่ากับความดันทั้งหมด

ความดันบางส่วนมีความสำคัญอย่างยิ่งในการทำนายการเคลื่อนที่ของก๊าซ โปรดจำไว้ว่าก๊าซมีแนวโน้มที่จะทำให้ความดันเท่ากันในสองภูมิภาคที่เชื่อมต่อกัน ก๊าซจะเคลื่อนจากบริเวณที่ความดันบางส่วนของมันสูงขึ้นไปยังบริเวณที่ความดันบางส่วนต่ำกว่า นอกจากนี้ ยิ่งความแตกต่างของแรงดันบางส่วนระหว่างพื้นที่ทั้งสองยิ่งมากเท่าใด การเคลื่อนที่ของก๊าซก็จะยิ่งเร็วขึ้นเท่านั้น

ความสามารถในการละลายของก๊าซในของเหลว

กฎของเฮนรีอธิบายถึงพฤติกรรมของก๊าซเมื่อสัมผัสกับของเหลว เช่น เลือด กฎของเฮนรีระบุว่าความเข้มข้นของก๊าซในของเหลวเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความสามารถในการละลายและความดันบางส่วนของก๊าซนั้น ยิ่งความดันบางส่วนของแก๊สมากเท่าใด โมเลกุลของแก๊สก็จะยิ่งละลายในของเหลวมากขึ้นเท่านั้น ความเข้มข้นของก๊าซในของเหลวก็ขึ้นอยู่กับความสามารถในการละลายของก๊าซในของเหลวด้วย ตัวอย่างเช่น แม้ว่าไนโตรเจนจะมีอยู่ในบรรยากาศ แต่ไนโตรเจนก็ละลายเข้าสู่กระแสเลือดได้น้อยมาก เนื่องจากความสามารถในการละลายของไนโตรเจนในเลือดต่ำมาก ข้อยกเว้นนี้เกิดขึ้นในนักดำน้ำลึก องค์ประกอบของอากาศอัดที่นักดำน้ำหายใจเข้าไปทำให้ไนโตรเจนมีความดันบางส่วนที่สูงกว่าปกติ ทำให้ละลายในเลือดในปริมาณที่มากกว่าปกติ ไนโตรเจนในกระแสเลือดมากเกินไปส่งผลให้เกิดภาวะร้ายแรงที่อาจถึงแก่ชีวิตได้หากไม่ได้รับการแก้ไข โมเลกุลของแก๊สสร้างสมดุลระหว่างโมเลกุลที่ละลายในของเหลวและโมเลกุลในอากาศ

องค์ประกอบของอากาศในบรรยากาศและในถุงลมต่างกัน ในทั้งสองกรณี ความเข้มข้นสัมพัทธ์ของก๊าซคือไนโตรเจน > ออกซิเจน > ไอน้ำ > คาร์บอนไดออกไซด์ ปริมาณไอน้ำที่มีอยู่ในอากาศถุงมากกว่าในอากาศในบรรยากาศ (ตารางที่ 2) จำไว้ว่าระบบทางเดินหายใจทำงานเพื่อทำให้อากาศที่เข้ามามีความชื้น ส่งผลให้อากาศในถุงลมมีไอน้ำในปริมาณมากกว่าอากาศในบรรยากาศ นอกจากนี้ อากาศในถุงลมยังมีคาร์บอนไดออกไซด์ในปริมาณที่มากกว่าและมีออกซิเจนน้อยกว่าอากาศในบรรยากาศ ไม่น่าแปลกใจเลยที่การแลกเปลี่ยนก๊าซจะกำจัดออกซิเจนและเพิ่มคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศในถุงลม ทั้งการหายใจลึกและบังคับทำให้องค์ประกอบของอากาศในถุงลมเปลี่ยนแปลงเร็วกว่าการหายใจแบบเงียบ ส่งผลให้ความดันบางส่วนของออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์เปลี่ยนไป ส่งผลต่อกระบวนการแพร่ที่เคลื่อนย้ายวัสดุเหล่านี้ข้ามเมมเบรน จะทำให้ออกซิเจนเข้าสู่ร่างกายและคาร์บอนไดออกไซด์ออกจากเลือดได้เร็วขึ้น

ตารางที่ 2: องค์ประกอบและความกดดันบางส่วนของถุงลม

องค์ประกอบและความดันบางส่วนของถุงลม
แก๊ส เปอร์เซ็นต์ขององค์ประกอบทั้งหมด ความดันบางส่วน
(มม. ปรอท)
ไนโตรเจน (N2) 74.9 569
ออกซิเจน (O2) 13.7 104
น้ำ (H2อ) 6.2 40
คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) 5.2 47
องค์ประกอบทั้งหมด/ความดันถุงรวม 100% 760.0
การระบายอากาศและการไหลเวียนโลหิต

สิ่งสำคัญสองประการของการแลกเปลี่ยนก๊าซในปอดคือการช่วยหายใจและการไหลเวียนของโลหิต การระบายอากาศคือการเคลื่อนที่ของอากาศเข้าและออกจากปอด และการไหลเวียนของเลือดคือการไหลเวียนของเลือดในเส้นเลือดฝอยในปอด เพื่อให้การแลกเปลี่ยนก๊าซมีประสิทธิภาพ ปริมาตรที่เกี่ยวข้องกับการระบายอากาศและการไหลเวียนควรเข้ากันได้ อย่างไรก็ตาม ปัจจัยต่างๆ เช่น ผลกระทบของแรงโน้มถ่วงในระดับภูมิภาคต่อเลือด ท่อถุงลมอุดตัน หรือโรคต่างๆ อาจทำให้การระบายอากาศและการไหลเวียนของเลือดไม่สมดุล

ความดันบางส่วนของออกซิเจนในถุงลมจะอยู่ที่ประมาณ 104 มม. ปรอท ในขณะที่ความดันบางส่วนของเลือดที่เติมออกซิเจนในเส้นเลือดในปอดจะอยู่ที่ประมาณ 100 มม. ปรอท เมื่อการระบายอากาศเพียงพอ ออกซิเจนจะเข้าสู่ถุงลมในอัตราที่สูง และความดันบางส่วนของออกซิเจนในถุงลมยังคงสูง ในทางตรงกันข้าม เมื่อการระบายอากาศไม่เพียงพอ ความดันบางส่วนของออกซิเจนในถุงลมจะลดลง หากไม่มีความแตกต่างอย่างมากของความดันบางส่วนระหว่างถุงลมและเลือด ออกซิเจนจะไม่กระจายไปทั่วเยื่อหุ้มทางเดินหายใจอย่างมีประสิทธิภาพ ร่างกายมีกลไกที่รับมือกับปัญหานี้ ในกรณีที่การระบายอากาศไม่เพียงพอสำหรับถุงลม ร่างกายจะเปลี่ยนเส้นทางการไหลเวียนของเลือดไปยังถุงลมที่ได้รับการระบายอากาศที่เพียงพอ สิ่งนี้ทำได้โดยการบีบรัดหลอดเลือดแดงในปอดที่ทำหน้าที่ถุงลมที่ไม่สมบูรณ์ ซึ่งจะเปลี่ยนเส้นทางเลือดไปยังถุงลมอื่นๆ ที่มีการระบายอากาศเพียงพอ ในเวลาเดียวกัน หลอดเลือดแดงในปอดที่ให้บริการถุงลมได้รับยาขยายหลอดเลือดที่เพียงพอ ซึ่งจะทำให้เลือดไหลเวียนได้ดีขึ้น ปัจจัยต่างๆ เช่น คาร์บอนไดออกไซด์ ออกซิเจน และ pH ล้วนเป็นตัวกระตุ้นในการปรับการไหลเวียนของเลือดในเครือข่ายของเส้นเลือดฝอยที่เกี่ยวข้องกับถุงลม

การระบายอากาศถูกควบคุมโดยเส้นผ่านศูนย์กลางของทางเดินหายใจ ในขณะที่การไหลเวียนของเลือดจะถูกควบคุมโดยเส้นผ่านศูนย์กลางของหลอดเลือด เส้นผ่านศูนย์กลางของหลอดลมไวต่อแรงกดบางส่วนของคาร์บอนไดออกไซด์ในถุงลม ความดันบางส่วนที่มากขึ้นของคาร์บอนไดออกไซด์ในถุงลมทำให้หลอดลมขยายขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเช่นเดียวกับระดับออกซิเจนในเลือดที่ลดลง ทำให้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ถูกขับออกจากร่างกายในอัตราที่มากขึ้น ดังที่ได้กล่าวมาแล้ว ความดันบางส่วนของออกซิเจนในถุงลมที่มากขึ้นทำให้หลอดเลือดแดงในปอดขยายตัว ทำให้เลือดไหลเวียนได้ดีขึ้น

แลกเปลี่ยนแก๊ส

การแลกเปลี่ยนก๊าซเกิดขึ้นที่บริเวณสองจุดในร่างกาย: ในปอด ซึ่งเป็นที่ที่รับออกซิเจนและปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่เยื่อหุ้มทางเดินหายใจ และที่เนื้อเยื่อที่ปล่อยออกซิเจนและเก็บคาร์บอนไดออกไซด์ การหายใจจากภายนอกคือการแลกเปลี่ยนก๊าซกับสิ่งแวดล้อมภายนอก และเกิดขึ้นในถุงลมของปอด การหายใจภายในคือการแลกเปลี่ยนก๊าซกับสภาพแวดล้อมภายใน และเกิดขึ้นในเนื้อเยื่อ การแลกเปลี่ยนก๊าซที่เกิดขึ้นจริงเกิดจากการแพร่อย่างง่าย ไม่จำเป็นต้องใช้พลังงานในการเคลื่อนย้ายออกซิเจนหรือคาร์บอนไดออกไซด์ข้ามเมมเบรน ก๊าซเหล่านี้เป็นไปตามการไล่ระดับแรงดันที่ทำให้พวกมันกระจายตัว กายวิภาคของปอดช่วยเพิ่มการแพร่กระจายของก๊าซ: เมมเบรนระบบทางเดินหายใจสามารถซึมผ่านก๊าซในระบบทางเดินหายใจได้สูง และเยื่อฝอยของเลือดมีความบางมากและมีพื้นที่ผิวขนาดใหญ่ทั่วทั้งปอด

การหายใจภายนอก

หลอดเลือดแดงในปอดจะนำเลือดที่เติมออกซิเจนเข้าไปในปอดจากหัวใจ ซึ่งจะแตกแขนงออกและในที่สุดก็กลายเป็นเครือข่ายของเส้นเลือดฝอยที่ประกอบด้วยเส้นเลือดฝอยในปอด เส้นเลือดฝอยในปอดเหล่านี้สร้างเยื่อหุ้มทางเดินหายใจด้วยถุงลม (รูปที่ 2) เมื่อเลือดถูกสูบผ่านเครือข่ายของเส้นเลือดฝอย การแลกเปลี่ยนก๊าซจะเกิดขึ้น แม้ว่าออกซิเจนจำนวนเล็กน้อยจะสามารถละลายลงในพลาสมาได้โดยตรงจากถุงลม แต่ออกซิเจนส่วนใหญ่จะถูกหยิบขึ้นมาโดยเม็ดเลือดแดง (เซลล์เม็ดเลือดแดง) และจับกับโปรตีนที่เรียกว่าเฮโมโกลบิน ซึ่งเป็นกระบวนการที่อธิบายไว้ในตอนต่อไปในบทนี้ ออกซิเจนเฮโมโกลบินเป็นสีแดง ทำให้มีลักษณะโดยรวมของเลือดออกซิเจนสีแดงสด ซึ่งส่งกลับไปยังหัวใจผ่านเส้นเลือดในปอด คาร์บอนไดออกไซด์ถูกปล่อยออกมาในทิศทางตรงกันข้ามกับออกซิเจน จากเลือดไปยังถุงลม คาร์บอนไดออกไซด์บางส่วนถูกส่งกลับคืนมาบนเฮโมโกลบิน แต่ยังสามารถละลายในพลาสมาหรือมีอยู่ในรูปแบบที่แปลงสภาพได้ ซึ่งจะอธิบายในรายละเอียดเพิ่มเติมในตอนต่อไปในบทนี้

การหายใจจากภายนอกเกิดจากความแตกต่างของความดันบางส่วนในออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ระหว่างถุงลมและเลือดในเส้นเลือดฝอยในปอด

รูปที่ 2: ในการหายใจภายนอก ออกซิเจนจะกระจายไปทั่วเยื่อหุ้มทางเดินหายใจจากถุงลมไปยังเส้นเลือดฝอย ในขณะที่ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จะกระจายออกจากเส้นเลือดฝอยไปยังถุงลม

แม้ว่าความสามารถในการละลายของออกซิเจนในเลือดจะไม่สูง แต่มีความแตกต่างอย่างมากในความดันบางส่วนของออกซิเจนในถุงลมกับในเลือดของเส้นเลือดฝอยในปอด ความแตกต่างนี้คือประมาณ 64 มม. ปรอท: ความดันบางส่วนของออกซิเจนในถุงลมอยู่ที่ประมาณ 104 มม. ปรอท ในขณะที่ความดันบางส่วนในเลือดของเส้นเลือดฝอยอยู่ที่ประมาณ 40 มม. ปรอท ความแตกต่างอย่างมากของความดันบางส่วนนี้ทำให้เกิดการไล่ระดับความดันที่รุนแรงมากซึ่งทำให้ออกซิเจนข้ามเยื่อหุ้มทางเดินหายใจอย่างรวดเร็วจากถุงลมเข้าสู่กระแสเลือด

ความดันบางส่วนของคาร์บอนไดออกไซด์ยังแตกต่างกันระหว่างอากาศในถุงลมและเลือดของเส้นเลือดฝอย อย่างไรก็ตาม ความแตกต่างของแรงดันบางส่วนนั้นน้อยกว่าออกซิเจนประมาณ 5 มม. ปรอท ความดันบางส่วนของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในเลือดของเส้นเลือดฝอยอยู่ที่ประมาณ 45 มม. ปรอท ในขณะที่ความดันบางส่วนในถุงลมจะอยู่ที่ประมาณ 40 มม. ปรอท อย่างไรก็ตาม ความสามารถในการละลายของคาร์บอนไดออกไซด์มีมากกว่าออกซิเจน&mdash โดยปัจจัยประมาณ 20&mdashin ทั้งเลือดและของเหลวในถุงน้ำ เป็นผลให้ความเข้มข้นสัมพัทธ์ของออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ที่กระจายไปทั่วเยื่อหุ้มทางเดินหายใจมีความคล้ายคลึงกัน

การหายใจภายใน

การหายใจภายในคือการแลกเปลี่ยนก๊าซที่เกิดขึ้นที่ระดับเนื้อเยื่อของร่างกาย (รูปที่ 3) เช่นเดียวกับการหายใจภายนอก การหายใจภายในก็เกิดขึ้นเหมือนกับการแพร่กระจายอย่างง่ายเนื่องจากการไล่ระดับความดันบางส่วน อย่างไรก็ตาม การไล่ระดับความดันบางส่วนจะตรงกันข้ามกับระดับที่มีอยู่ที่เยื่อหุ้มทางเดินหายใจ ความดันบางส่วนของออกซิเจนในเนื้อเยื่อต่ำประมาณ 40 มม. ปรอท เนื่องจากออกซิเจนถูกใช้อย่างต่อเนื่องในการหายใจระดับเซลล์ ในทางตรงกันข้าม ความดันบางส่วนของออกซิเจนในเลือดจะอยู่ที่ประมาณ 100 มม. ปรอท ทำให้เกิดการไล่ระดับความดันที่ทำให้ออกซิเจนแยกออกจากฮีโมโกลบิน กระจายออกจากเลือด ข้ามช่องว่างคั่นระหว่างหน้า และเข้าสู่เนื้อเยื่อ เฮโมโกลบินที่มีออกซิเจนเพียงเล็กน้อยจะสูญเสียความสว่างไปมาก ดังนั้นเลือดที่ไหลย้อนกลับไปยังหัวใจจึงมีสีเบอร์กันดีมากขึ้น

เมื่อพิจารณาว่าการหายใจระดับเซลล์สร้างคาร์บอนไดออกไซด์อย่างต่อเนื่อง ความดันบางส่วนของคาร์บอนไดออกไซด์ในเลือดจะต่ำกว่าในเนื้อเยื่อ ทำให้คาร์บอนไดออกไซด์กระจายออกจากเนื้อเยื่อ ข้ามของเหลวคั่นระหว่างหน้า และเข้าสู่กระแสเลือด จากนั้นจะถูกส่งกลับไปยังปอดโดยจับกับฮีโมโกลบิน ละลายในพลาสมา หรือในรูปแบบที่แปลงสภาพ เมื่อถึงเวลาที่เลือดกลับคืนสู่หัวใจ ความดันบางส่วนของออกซิเจนจะกลับมาอยู่ที่ประมาณ 40 มม. ปรอท และความดันบางส่วนของคาร์บอนไดออกไซด์กลับมาอยู่ที่ประมาณ 45 มม. ปรอท จากนั้นเลือดจะถูกสูบกลับไปที่ปอดเพื่อให้ออกซิเจนอีกครั้งระหว่างการหายใจภายนอก

รูปที่ 3: ออกซิเจนกระจายออกจากเส้นเลือดฝอยและเข้าไปในเซลล์ ในขณะที่ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จะกระจายออกจากเซลล์และเข้าไปในเส้นเลือดฝอย

การเชื่อมต่อในชีวิตประจำวัน

การรักษาห้อง Hyperbaric Chamber

อุปกรณ์ประเภทหนึ่งที่ใช้ในยาบางพื้นที่ที่ใช้ประโยชน์จากพฤติกรรมของก๊าซคือการรักษาห้องที่มีความดันสูงเกิน ห้อง Hyperbaric เป็นหน่วยที่สามารถปิดผนึกและทำให้ผู้ป่วยได้รับออกซิเจน 100 เปอร์เซ็นต์ด้วยความดันที่เพิ่มขึ้นหรือส่วนผสมของก๊าซที่มีความเข้มข้นของออกซิเจนสูงกว่าอากาศในบรรยากาศปกติและที่ความดันบางส่วนที่สูงกว่าบรรยากาศ แชมเบอร์มีสองประเภทหลัก: monoplace และ multiplace ห้อง Monoplace โดยทั่วไปมีไว้สำหรับผู้ป่วยรายเดียว และเจ้าหน้าที่ที่ดูแลผู้ป่วยจะสังเกตผู้ป่วยจากภายนอกห้อง (รูปที่ 4) สิ่งอำนวยความสะดวกบางแห่งมีห้องควบคุมความดันสูงแบบโมโนเพลสพิเศษที่ช่วยให้ผู้ป่วยหลายรายได้รับการรักษาในคราวเดียว โดยปกติแล้วจะอยู่ในท่านั่งหรือเอนกาย เพื่อช่วยบรรเทาความรู้สึกโดดเดี่ยวหรือโรคกลัวที่แคบ ห้อง Multiplace มีขนาดใหญ่เพียงพอสำหรับผู้ป่วยหลายรายที่จะรับการรักษาในคราวเดียว และมีเจ้าหน้าที่ที่เข้าร่วมผู้ป่วยเหล่านี้อยู่ภายในห้อง ในห้องแบบหลายช่อง ผู้ป่วยมักได้รับการรักษาด้วยอากาศผ่านหน้ากากหรือเครื่องดูดควัน และห้องเพาะเลี้ยงจะได้รับแรงดัน

รูปที่ 4: (เครดิต: &ldquokomunews&rdquo/flickr.com)

การบำบัดในห้อง Hyperbaric ขึ้นอยู่กับพฤติกรรมของก๊าซ ในขณะที่คุณจำได้ ก๊าซจะเคลื่อนจากบริเวณที่มีความกดอากาศสูงไปยังบริเวณที่มีความกดอากาศต่ำ ในห้อง Hyperbaric ความดันบรรยากาศจะเพิ่มขึ้น ทำให้ออกซิเจนในปริมาณที่มากกว่าปกติจะกระจายเข้าสู่กระแสเลือดของผู้ป่วย การบำบัดในห้อง Hyperbaric ใช้ในการรักษาปัญหาทางการแพทย์ที่หลากหลาย เช่น การรักษาบาดแผลและการปลูกถ่ายอวัยวะ การติดเชื้อแบคทีเรียแบบไม่ใช้ออกซิเจน และพิษคาร์บอนมอนอกไซด์ การสัมผัสและพิษจากคาร์บอนมอนอกไซด์เป็นเรื่องยากที่จะย้อนกลับ เนื่องจากฮีโมโกลบินมีความสัมพันธ์กับคาร์บอนมอนอกไซด์แรงกว่าออกซิเจนมาก ทำให้คาร์บอนมอนอกไซด์เข้ามาแทนที่ออกซิเจนในเลือด การบำบัดในห้อง Hyperbaric สามารถรักษาพิษคาร์บอนมอนอกไซด์ได้ เนื่องจากความดันบรรยากาศที่เพิ่มขึ้นทำให้ออกซิเจนแพร่เข้าสู่กระแสเลือดมากขึ้น ที่ความดันที่เพิ่มขึ้นและความเข้มข้นของออกซิเจนที่เพิ่มขึ้นนี้ คาร์บอนมอนอกไซด์จะถูกแทนที่จากเฮโมโกลบิน อีกตัวอย่างหนึ่งคือการรักษาการติดเชื้อแบคทีเรียแบบไม่ใช้ออกซิเจนซึ่งเกิดจากแบคทีเรียที่ไม่สามารถหรือไม่ต้องการอยู่ในที่ที่มีออกซิเจน การเพิ่มขึ้นของระดับออกซิเจนในเลือดและเนื้อเยื่อช่วยฆ่าเชื้อแบคทีเรียที่ไม่ใช้ออกซิเจนที่รับผิดชอบต่อการติดเชื้อ เนื่องจากออกซิเจนเป็นพิษต่อแบคทีเรียที่ไม่ใช้ออกซิเจน สำหรับบาดแผลและการปลูกถ่าย ช่องจะกระตุ้นกระบวนการบำบัดโดยการเพิ่มการผลิตพลังงานที่จำเป็นสำหรับการซ่อมแซม การขนส่งออกซิเจนที่เพิ่มขึ้นช่วยให้เซลล์เพิ่มการหายใจของเซลล์ และด้วยเหตุนี้การผลิต ATP ซึ่งเป็นพลังงานที่จำเป็นในการสร้างโครงสร้างใหม่

บททบทวน

พฤติกรรมของก๊าซสามารถอธิบายได้ด้วยหลักการของกฎของดาลตันและกฎของเฮนรี ซึ่งทั้งสองอธิบายแง่มุมของการแลกเปลี่ยนก๊าซ กฎของดาลตันระบุว่าก๊าซจำเพาะแต่ละชนิดในส่วนผสมของก๊าซจะออกแรง (แรงดันบางส่วน) โดยไม่ขึ้นกับก๊าซอื่นๆ ในส่วนผสม กฎของเฮนรีระบุว่าปริมาณของก๊าซจำเพาะที่ละลายในของเหลวนั้นเป็นหน้าที่ของแรงดันบางส่วน ยิ่งความดันบางส่วนของก๊าซมากเท่าใด ก๊าซนั้นจะยิ่งละลายในของเหลวมากเท่านั้น เมื่อก๊าซเคลื่อนไปสู่สภาวะสมดุล โมเลกุลของแก๊สเคลื่อนตัวลงตามระดับความดัน กล่าวคือ ก๊าซเคลื่อนที่จากบริเวณที่มีความกดอากาศสูงไปยังบริเวณที่มีความกดอากาศต่ำ ความดันบางส่วนของออกซิเจนสูงในถุงลมและในเลือดของเส้นเลือดฝอยในปอดต่ำ เป็นผลให้ออกซิเจนกระจายไปทั่วเยื่อหุ้มทางเดินหายใจจากถุงลมเข้าสู่กระแสเลือด ในทางตรงกันข้าม ความดันบางส่วนของคาร์บอนไดออกไซด์จะสูงในเส้นเลือดฝอยในปอดและต่ำในถุงลม ดังนั้นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จึงกระจายไปทั่วเยื่อหุ้มทางเดินหายใจจากเลือดเข้าสู่ถุงลม ปริมาณออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ที่กระจายผ่านเยื่อหุ้มทางเดินหายใจนั้นใกล้เคียงกัน

การระบายอากาศเป็นกระบวนการที่นำอากาศเข้าและออกจากถุงลม และการไหลเวียนของเลือดจะส่งผลต่อการไหลเวียนของเลือดในเส้นเลือดฝอย ทั้งสองมีความสำคัญในการแลกเปลี่ยนก๊าซเนื่องจากการระบายอากาศจะต้องเพียงพอที่จะสร้างความดันบางส่วนของออกซิเจนในถุงลม หากการระบายอากาศไม่เพียงพอและความดันบางส่วนของออกซิเจนลดลงในอากาศถุงลม เส้นเลือดฝอยจะตีบและการไหลเวียนของเลือดจะเปลี่ยนเส้นทางไปยังถุงลมด้วยการระบายอากาศที่เพียงพอ การหายใจภายนอกหมายถึงการแลกเปลี่ยนก๊าซที่เกิดขึ้นในถุงลม ในขณะที่การหายใจภายในหมายถึงการแลกเปลี่ยนก๊าซที่เกิดขึ้นในเนื้อเยื่อ ทั้งสองถูกขับเคลื่อนโดยความแตกต่างของแรงดันบางส่วน