معلومة

22.12: مقدمة في أنظمة تبادل الغازات - علم الأحياء


صف مرور الهواء من البيئة الخارجية إلى الرئتين

تتمثل الوظيفة الأساسية للجهاز التنفسي في توصيل الأكسجين إلى خلايا أنسجة الجسم وإزالة ثاني أكسيد الكربون ، وهو أحد نفايات الخلايا. الهياكل الرئيسية للجهاز التنفسي البشري هي تجويف الأنف والقصبة الهوائية والرئتين.

ما سوف تتعلم القيام به

  • ناقش عمليات التنفس التي تستخدمها الحيوانات بدون رئتين
  • تحديد الهياكل المشتركة في الجهاز التنفسي للثدييات
  • اشرح كيف يتم حماية الرئتين من الجسيمات

نشاطات التعلم

تشمل الأنشطة التعليمية لهذا القسم ما يلي:

  • أنواع مختلفة من أجهزة التنفس
  • أنظمة الثدييات
  • آليات الحماية
  • الفحص الذاتي: أنظمة تبادل الغازات

الانتشار المباشر

بالنسبة للكائنات الصغيرة متعددة الخلايا ، يكون الانتشار عبر الغشاء الخارجي كافياً لتلبية احتياجاتها من الأكسجين. يعتبر تبادل الغازات عن طريق الانتشار المباشر عبر الأغشية السطحية فعالاً بالنسبة للكائنات التي يقل قطرها عن 1 مم. في الكائنات الحية البسيطة ، مثل الكائنات المجوفة والديدان المفلطحة ، تكون كل خلية في الجسم قريبة من البيئة الخارجية. تظل خلاياها رطبة وتنتشر الغازات بسرعة عبر الانتشار المباشر. الديدان المفلطحة هي ديدان صغيرة مسطحة ، تتنفس من خلال الانتشار عبر الغشاء الخارجي ([رابط]). يزيد الشكل المسطح لهذه الكائنات من مساحة السطح للانتشار ، مما يضمن أن تكون كل خلية داخل الجسم قريبة من سطح الغشاء الخارجي ولديها وصول إلى الأكسجين. إذا كان للدودة المفلطحة جسم أسطواني ، فلن تتمكن الخلايا الموجودة في المركز من الحصول على الأكسجين.

تعمل عملية تنفس الدودة المفلطحة عن طريق الانتشار عبر الغشاء الخارجي. (الائتمان: ستيفن تشايلدز)


الانتشار المباشر

بالنسبة للكائنات الصغيرة متعددة الخلايا ، يكون الانتشار عبر الغشاء الخارجي كافياً لتلبية احتياجاتها من الأكسجين. يعتبر تبادل الغازات عن طريق الانتشار المباشر عبر الأغشية السطحية فعالاً بالنسبة للكائنات التي يقل قطرها عن 1 مم. في الكائنات الحية البسيطة ، مثل الكائنات المجوفة والديدان المفلطحة ، تكون كل خلية في الجسم قريبة من البيئة الخارجية. تظل خلاياها رطبة وتنتشر الغازات بسرعة عبر الانتشار المباشر. الديدان المفلطحة هي ديدان صغيرة مسطحة ، تتنفس من خلال الانتشار عبر الغشاء الخارجي (الشكل). يزيد الشكل المسطح لهذه الكائنات من مساحة السطح للانتشار ، مما يضمن أن تكون كل خلية داخل الجسم قريبة من سطح الغشاء الخارجي ولديها وصول إلى الأكسجين. إذا كان للدودة المفلطحة جسم أسطواني ، فلن تتمكن الخلايا الموجودة في المركز من الحصول على الأكسجين.

تعمل عملية تنفس الدودة المفلطحة عن طريق الانتشار عبر الغشاء الخارجي. (الائتمان: ستيفن تشايلدز)


تقوم الطيور والزواحف ومعظم المفصليات الأرضية بتحويل الأمونيا السامة إلى حمض البوليك أو مركب الجوانين المرتبط ارتباطًا وثيقًا (ذرق الطائر) بدلاً من اليوريا. تشكل الثدييات أيضًا بعض حمض اليوريك أثناء تكسير الأحماض النووية. حمض اليوريك مركب مشابه للبيورينات الموجودة في الأحماض النووية. إنه غير قابل للذوبان في الماء ويميل إلى تكوين معجون أبيض أو مسحوق يفرز عن طريق الطيور والحشرات والزواحف. يتطلب تحويل الأمونيا إلى حمض اليوريك مزيدًا من الطاقة وهو أكثر تعقيدًا بكثير من تحويل الأمونيا إلى اليوريا الشكل 22.13.

الشكل 22.13. تفرز النفايات النيتروجينية بأشكال مختلفة من قبل الأنواع المختلفة. وتشمل هذه (أ) الأمونيا ، (ب) اليوريا ، و (ج) حمض البوليك. (الائتمان أ: تعديل العمل بواسطة Eric Engbretson ، USFWS Credit b: تعديل العمل بواسطة B. & # 8220Moose & # 8221 Peterson ، USFWS Credit c: تعديل العمل بواسطة Dave Menke ، USFWS)


التعريف بأنظمة تبادل الغازات

تتمثل الوظيفة الأساسية للجهاز التنفسي في توصيل الأكسجين إلى خلايا أنسجة الجسم وإزالة ثاني أكسيد الكربون ، وهو أحد نفايات الخلايا. الهياكل الرئيسية للجهاز التنفسي البشري هي تجويف الأنف والقصبة الهوائية والرئتين.

تتطلب جميع الكائنات الحية الهوائية الأكسجين للقيام بوظائفها الأيضية. على طول الشجرة التطورية ، ابتكرت كائنات مختلفة وسائل مختلفة للحصول على الأكسجين من الغلاف الجوي المحيط. تحدد البيئة التي يعيش فيها الحيوان بشكل كبير كيف يتنفس الحيوان. يرتبط تعقيد الجهاز التنفسي بحجم الكائن الحي. مع زيادة حجم الحيوان ، تزداد مسافات الانتشار وتنخفض نسبة مساحة السطح إلى الحجم. في الكائنات أحادية الخلية ، يكون الانتشار عبر غشاء الخلية كافيًا لتزويد الخلية بالأكسجين (الشكل أدناه). الانتشار هو عملية نقل بطيئة وسلبية. لكي يكون الانتشار وسيلة مجدية لتوفير الأكسجين للخلية ، يجب أن يتطابق معدل امتصاص الأكسجين مع معدل الانتشار عبر الغشاء. بمعنى آخر ، إذا كانت الخلية كبيرة جدًا أو سميكة ، فلن يكون الانتشار قادرًا على توفير الأكسجين بسرعة كافية لداخل الخلية. لذلك ، فإن الاعتماد على الانتشار كوسيلة للحصول على الأكسجين وإزالة ثاني أكسيد الكربون يظل ممكنًا فقط للكائنات الصغيرة أو تلك التي لديها أجسام مفلطحة للغاية ، مثل العديد من الديدان المفلطحة (Platyhelminthes). كان على الكائنات الأكبر حجمًا أن تطور أنسجة تنفسية متخصصة ، مثل الخياشيم والرئتين والممرات التنفسية المصحوبة بأنظمة الدورة الدموية المعقدة ، لنقل الأكسجين في جميع أنحاء الجسم.

خلية الطحالب وحيدة الخلية البطين البطيني هي واحدة من أكبر الأنواع المعروفة ، حيث يصل قطرها من واحد إلى خمسة سنتيمترات. مثل كل الكائنات وحيدة الخلية ، V. ventricosa يتبادل الغازات عبر غشاء الخلية.


علم الأحياء - النماذج المشروحة المستوى 2 91155

هذا النموذج المشروح مخصص لاستخدام المعلم فقط. لا يمثل عمل الطالب الموضح دائمًا عينة كاملة لما هو مطلوب. يتم استخدام مقتطفات مختارة ، مع التركيز على حدود الدرجات ، من أجل مساعدة المقيّمين في إصدار الأحكام وفقًا للمعيار الوطني.

تميز منخفض

للتميز ، يحتاج الطالب إلى إظهار فهم شامل لتكيف النباتات أو الحيوانات مع أسلوب حياتهم.

يتضمن ذلك ربط العديد من الأفكار البيولوجية ، والتي قد تشمل التبرير أو التقييم أو المقارنة أو التباين أو التحليل. في سياق فهم التكيف من حيث صلته بعملية حياة واحدة عبر ثلاث مجموعات تصنيفية أو وظيفية من النباتات أو الحيوانات متعددة الخلايا ، يجب أن تراعي الروابط بين الأفكار البيولوجية هاتين النقطتين:

  • مقارنة تنوع التكيف استجابة لنفس الطلب عبر مجموعات تصنيفية أو وظيفية مختلفة.
  • النظر في القيود والمزايا التي تنطوي عليها كل ميزة داخل كل كائن حي.

وصف هذا الطالب (1) وقدم أسبابًا بيولوجية لشرح كيف ولماذا تمكّن التكيفات (2) الأسماك من إجراء تبادل الغازات من أجل البقاء على قيد الحياة (4) في الماء (3). قدم الطالب بعض الأفكار البيولوجية حول تنوع التكيف ، وحول القيود والمزايا التي تنطوي عليها ميزات تبادل الغازات ، ومقارنة الأسماك والبشر والحشرات (5).

للحصول على امتياز أكثر أمانًا ، يمكن للطالب التفكير في مقارنة أكثر شمولاً لتنوع التكيف استجابةً للطلب على الأكسجين عبر المجموعات الثلاث ، وعلى وجه الخصوص ، القيود والمزايا في نظام تبادل الغاز للحشرات.

الجدارة العالية

بالنسبة إلى Merit ، يحتاج الطالب إلى إظهار فهم متعمق لتكييف النباتات أو الحيوانات مع أسلوب حياتهم.

يتضمن هذا تقديم سبب بيولوجي يشرح كيف أو لماذا تمكن التكيفات كل كائن حي من تنفيذ عملية (عمليات) حياته من أجل البقاء في موطنه.

  • قد تشمل السمات الهيكلية أو السلوكية أو الفسيولوجية للكائن الحي
  • يوفر ميزة للكائن الحي في موطنه المحدد ومكانته البيئية.
  • العلاقات مع الكائنات الحية الأخرى
  • استراتيجيات الإنجاب
  • التكيف مع البيئة المادية.

وصف هذا الطالب (1) وقدم أسبابًا بيولوجية لشرح كيف ولماذا تمكّن التكيفات (2) الأسماك من إجراء تبادل الغازات من أجل البقاء على قيد الحياة (4) في الماء (3). يتم إعطاء بعض الأفكار البيولوجية التي تصف القيود والمزايا التي تنطوي عليها ميزات تبادل الغازات داخل الأسماك والبشر (5).

للوصول إلى التميز ، يمكن للطالب ربط المزيد من الأمثلة للأفكار البيولوجية في أنظمة تبادل الغاز للأسماك والبشر والحشرات من خلال:

  • مقارنة تنوع التكيف استجابة للطلب على الأكسجين للتنفس لتوفير الطاقة
  • النظر بشكل أكثر شمولاً في القيود والمزايا في موائل كل حيوان من أجل البقاء على قيد الحياة.

جدارة منخفضة

بالنسبة إلى Merit ، يحتاج الطالب إلى إظهار فهم متعمق لتكييف النباتات أو الحيوانات مع أسلوب حياتهم.

يتضمن هذا تقديم سبب بيولوجي يشرح كيف أو لماذا تمكن التكيفات كل كائن حي من تنفيذ عملية (عمليات) حياته من أجل البقاء في موطنه.

  • قد تشمل السمات الهيكلية أو السلوكية أو الفسيولوجية للكائن الحي
  • يوفر ميزة للكائن الحي في موطنه المحدد ومكانته البيئية.
  • العلاقات مع الكائنات الحية الأخرى
  • استراتيجيات الإنجاب
  • التكيف مع البيئة المادية.

وصف هذا الطالب (1) وقدم أسبابًا بيولوجية لشرح كيف تمكن التكيفات الهيكلية (2) الأسماك من إجراء تبادل الغازات من أجل البقاء على قيد الحياة (4) في الماء (3).

للحصول على استحقاق أكثر أمانًا ، يمكن للطالب تطوير الأسباب التي تشرح التكيفات التي تمكن الأسماك من إجراء تبادل الغازات من أجل البقاء على قيد الحياة في الماء. على سبيل المثال ، من خلال شرح كيف ولماذا تعمل الصفائح (مساحة السطح إلى نسبة الحجم) ونظام التيار المضاد لضمان التبادل الفعال للغاز في الماء.

تم تحقيق عالية

لتحقيق ، يحتاج الطالب إلى إظهار فهمه لتكيف النباتات أو الحيوانات مع أسلوب حياتهم.

يتضمن ذلك وصف التكيفات وتحديد جوانب التكيفات التي تمكن كل كائن حي من تنفيذ عملية (عمليات) حياته من أجل البقاء في موطنه.

  • قد تشمل السمات الهيكلية أو السلوكية أو الفسيولوجية للكائن الحي
  • يوفر ميزة للكائن الحي في موطنه المحدد ومكانته البيئية.
  • العلاقات مع الكائنات الحية الأخرى
  • استراتيجيات الإنجاب
  • التكيف مع البيئة المادية.

وصف هذا الطالب (1) وقدم بعض الأسباب البيولوجية لشرح كيف أن التكيفات الهيكلية (2) تمكن الأسماك من إجراء تبادل الغازات من أجل البقاء على قيد الحياة (4) في الماء (3).

للوصول إلى الجدارة ، يمكن للطالب دعم الفهم المتعمق من خلال تقديم أسباب بيولوجية أكثر شمولاً لشرح كيف أو لماذا تمكن التكيفات الأسماك من إجراء تبادل الغازات من أجل البقاء على قيد الحياة في الماء. على سبيل المثال ، استخدام الرسم البياني لشرح نظام التبادل للتيار المعاكس.

تحقق منخفض

لتحقيق ، يحتاج الطالب إلى إظهار فهمه لتكيف النباتات أو الحيوانات مع أسلوب حياتهم.

يتضمن ذلك وصف التكيفات وتحديد جوانب التكيفات التي تمكن كل كائن حي من تنفيذ عملية (عمليات) حياته من أجل البقاء في موطنه.

  • قد تشمل السمات الهيكلية أو السلوكية أو الفسيولوجية للكائن الحي
  • يوفر ميزة للكائن الحي في موطنه المحدد ومكانته البيئية.
  • العلاقات مع الكائنات الحية الأخرى
  • استراتيجيات الإنجاب
  • التكيف مع البيئة المادية.

وصف هذا الطالب بعض التعديلات الهيكلية (1) ، وجوانب هذه التكيفات التي تمكن الأسماك من إجراء تبادل الغازات من أجل البقاء على قيد الحياة (3) في الماء (2).

لتحقيق إنجازات أكثر أمانًا ، سيحتاج الطالب إلى تحديد ووصف المزيد من جوانب هذه التعديلات التي تمكن الأسماك من إجراء تبادل الغازات من أجل البقاء على قيد الحياة في الماء. على سبيل المثال ، يمكن للطالب تحديد ووصف نظام تبادل التيار المعاكس وتدرج التركيز العالي للأكسجين وغازات ثاني أكسيد الكربون في الصفائح الخيشومية.

عالية لم تتحقق

لتحقيق ، يحتاج الطالب إلى إظهار فهمه لتكيف النباتات أو الحيوانات مع أسلوب حياتهم.

يتضمن ذلك وصف التكيفات وتحديد جوانب التكيفات التي تمكن كل كائن حي من تنفيذ عملية (عمليات) حياته من أجل البقاء في موطنه.

  • قد تشمل السمات الهيكلية أو السلوكية أو الفسيولوجية للكائن الحي
  • يوفر ميزة للكائن الحي في موطنه المحدد ومكانته البيئية.
  • العلاقات مع الكائنات الحية الأخرى
  • استراتيجيات الإنجاب
  • التكيف مع البيئة المادية.

وصف هذا الطالب بإيجاز بعض التعديلات الهيكلية (1) وحدد بعض جوانب التكيفات التي تمكن الأسماك من إجراء تبادل الغازات من أجل البقاء على قيد الحياة (3) في الماء (2).

للوصول إلى المنجز ، يمكن للطالب أن يحدد ويصف بوضوح المزيد من جوانب التكيف التي تمكن الأسماك من إجراء تبادل الغازات من أجل البقاء في الماء. على سبيل المثال ، يمكن للطالب تحديد أن كل خيط خيشومي به صفائح لزيادة مساحة السطح. لكي يحدث تبادل الغازات ، يتدفق الدم عبر الصفائح في الاتجاه المعاكس لتدفق الماء.


أنظمة تبادل الغازات

تتمثل الوظيفة الأساسية للجهاز التنفسي في توصيل الأكسجين إلى خلايا أنسجة الجسم وإزالة ثاني أكسيد الكربون ، وهو أحد نفايات الخلايا. الهياكل الرئيسية للجهاز التنفسي البشري هي تجويف الأنف والقصبة الهوائية والرئتين.

تتطلب جميع الكائنات الحية الهوائية الأكسجين للقيام بوظائفها الأيضية. على طول الشجرة التطورية ، ابتكرت كائنات مختلفة وسائل مختلفة للحصول على الأكسجين من الغلاف الجوي المحيط. تحدد البيئة التي يعيش فيها الحيوان بشكل كبير كيف يتنفس الحيوان. يرتبط تعقيد الجهاز التنفسي بحجم الكائن الحي. مع زيادة حجم الحيوان ، تزداد مسافات الانتشار وتنخفض نسبة مساحة السطح إلى الحجم. في الكائنات أحادية الخلية ، يكون الانتشار عبر غشاء الخلية كافيًا لتزويد الخلية بالأكسجين ([رابط]). الانتشار هو عملية نقل بطيئة وسلبية. لكي يكون الانتشار وسيلة مجدية لتوفير الأكسجين للخلية ، يجب أن يتطابق معدل امتصاص الأكسجين مع معدل الانتشار عبر الغشاء. بمعنى آخر ، إذا كانت الخلية كبيرة جدًا أو سميكة ، فلن يكون الانتشار قادرًا على توفير الأكسجين بسرعة كافية لداخل الخلية. لذلك ، فإن الاعتماد على الانتشار كوسيلة للحصول على الأكسجين وإزالة ثاني أكسيد الكربون يظل ممكنًا فقط للكائنات الصغيرة أو تلك التي لديها أجسام مفلطحة للغاية ، مثل العديد من الديدان المفلطحة (Platyhelminthes). كان على الكائنات الأكبر حجمًا أن تطور أنسجة تنفسية متخصصة ، مثل الخياشيم والرئتين والممرات التنفسية المصحوبة بأنظمة الدورة الدموية المعقدة ، لنقل الأكسجين في جميع أنحاء الجسم.

الانتشار المباشر

بالنسبة للكائنات الصغيرة متعددة الخلايا ، يكون الانتشار عبر الغشاء الخارجي كافياً لتلبية احتياجاتها من الأكسجين. يعتبر تبادل الغازات عن طريق الانتشار المباشر عبر الأغشية السطحية فعالاً بالنسبة للكائنات التي يقل قطرها عن 1 مم. في الكائنات الحية البسيطة ، مثل الكائنات المجوفة والديدان المفلطحة ، تكون كل خلية في الجسم قريبة من البيئة الخارجية. تظل خلاياها رطبة وتنتشر الغازات بسرعة عبر الانتشار المباشر. الديدان المفلطحة هي ديدان صغيرة مسطحة ، تتنفس من خلال الانتشار عبر الغشاء الخارجي ([رابط]). يزيد الشكل المسطح لهذه الكائنات من مساحة السطح للانتشار ، مما يضمن أن تكون كل خلية داخل الجسم قريبة من سطح الغشاء الخارجي ولديها وصول إلى الأكسجين. إذا كان للدودة المفلطحة جسم أسطواني ، فلن تتمكن الخلايا الموجودة في المركز من الحصول على الأكسجين.

الجلد والخياشيم

تستخدم ديدان الأرض والبرمائيات جلدها (غلاف) كعضو تنفسي. توجد شبكة كثيفة من الشعيرات الدموية أسفل الجلد مباشرة وتسهل تبادل الغازات بين البيئة الخارجية والجهاز الدوري. يجب أن يظل سطح الجهاز التنفسي رطبًا حتى تذوب الغازات وتنتشر عبر أغشية الخلايا.

تحتاج الكائنات الحية التي تعيش في الماء إلى الحصول على الأكسجين من الماء. يذوب الأكسجين في الماء ولكن بتركيز أقل منه في الغلاف الجوي. يحتوي الغلاف الجوي على ما يقرب من 21 في المائة من الأكسجين. في الماء ، يكون تركيز الأكسجين أقل بكثير من ذلك. لقد طورت الأسماك والعديد من الكائنات المائية الأخرى خياشيم تمتص الأكسجين المذاب من الماء ([رابط]). الخياشيم عبارة عن خيوط نسيجية رفيعة متفرعة ومثنية للغاية. عندما يمر الماء فوق الخياشيم ، ينتشر الأكسجين المذاب في الماء بسرعة عبر الخياشيم في مجرى الدم. يمكن للجهاز الدوري بعد ذلك نقل الدم المؤكسج إلى أجزاء أخرى من الجسم. في الحيوانات التي تحتوي على السائل الجوفي بدلاً من الدم ، ينتشر الأكسجين عبر الأسطح الخيشومية في السائل الجوفي. تم العثور على الخياشيم في الرخويات ، والقشريات ، والقشريات.

توفر الأسطح المطوية للخياشيم مساحة كبيرة لضمان حصول الأسماك على كمية كافية من الأكسجين. الانتشار هو عملية تنتقل فيها المادة من مناطق ذات تركيز عالٍ إلى تركيز منخفض حتى يتم الوصول إلى التوازن. في هذه الحالة ، يدور الدم الذي يحتوي على تركيز منخفض من جزيئات الأكسجين عبر الخياشيم. تركيز جزيئات الأكسجين في الماء أعلى من تركيز جزيئات الأكسجين في الخياشيم. نتيجة لذلك ، تنتشر جزيئات الأكسجين من الماء (تركيز عالٍ) إلى الدم (تركيز منخفض) ، كما هو موضح في [الرابط]. وبالمثل ، تنتشر جزيئات ثاني أكسيد الكربون في الدم من الدم (تركيز عالٍ) إلى الماء (تركيز منخفض).

أنظمة القصبة الهوائية

يعتبر تنفس الحشرات مستقلاً عن نظام الدورة الدموية ، لذلك لا يلعب الدم دورًا مباشرًا في نقل الأكسجين. تمتلك الحشرات نوعًا عالي التخصص من الجهاز التنفسي يسمى نظام القصبة الهوائية ، والذي يتكون من شبكة من الأنابيب الصغيرة التي تحمل الأكسجين إلى الجسم بأكمله. نظام القصبة الهوائية هو الجهاز التنفسي الأكثر مباشرة وكفاءة في الحيوانات النشطة. الأنابيب في نظام القصبة الهوائية مصنوعة من مادة بوليمرية تسمى الكيتين.

أجسام الحشرات لها فتحات تسمى الفتحات التنفسية على طول الصدر والبطن. تتصل هذه الفتحات بالشبكة الأنبوبية ، مما يسمح للأكسجين بالمرور إلى الجسم ([رابط]) وتنظيم انتشار ثاني أكسيد الكربون2 وبخار الماء. يدخل الهواء ويخرج من نظام القصبة الهوائية من خلال الفتحات التنفسية. يمكن لبعض الحشرات تهوية نظام القصبة الهوائية بحركات الجسم.

أنظمة الثدييات

في الثدييات ، تحدث التهوية الرئوية عن طريق الاستنشاق (التنفس). أثناء الاستنشاق ، يدخل الهواء إلى الجسم من خلال تجويف أنفي يقع داخل الأنف مباشرة ([رابط]). عندما يمر الهواء عبر تجويف الأنف ، يتم تسخين الهواء إلى درجة حرارة الجسم وترطيبه. يتم تغليف الجهاز التنفسي بالمخاط لعزل الأنسجة من الاتصال المباشر بالهواء. المخاط غني بالمياه. عندما يعبر الهواء هذه الأسطح من الأغشية المخاطية ، فإنه يلتقط الماء. تساعد هذه العمليات في موازنة الهواء مع ظروف الجسم ، مما يقلل من أي ضرر يمكن أن يسببه الهواء البارد والجاف. يتم إزالة الجسيمات التي تطفو في الهواء في الممرات الأنفية عن طريق المخاط والأهداب. تعتبر عمليات الاحترار والترطيب وإزالة الجزيئات آليات وقائية مهمة تمنع تلف القصبة الهوائية والرئتين. وبالتالي ، فإن الاستنشاق يخدم عدة أغراض بالإضافة إلى إدخال الأكسجين إلى الجهاز التنفسي.

أي من العبارات التالية خاطئة عن الجهاز التنفسي للثدييات؟

  1. عندما نتنفس ، ينتقل الهواء من البلعوم إلى القصبة الهوائية.
  2. تتفرع القصيبات إلى قصبات.
  3. تتصل القنوات السنخية بالحويصلات السنخية.
  4. يحدث تبادل الغازات بين الرئة والدم في الحويصلات الهوائية.

من تجويف الأنف ، يمر الهواء عبر البلعوم (الحلق) و الحنجرة (صندوق الصوت) ، حيث يشق طريقه إلى ةقصبة الهوائية ([حلقة الوصل]). وتتمثل الوظيفة الرئيسية للقصبة الهوائية في تحويل الهواء المستنشق إلى الرئتين وهواء الزفير للخارج من الجسم. القصبة الهوائية البشرية عبارة عن أسطوانة يبلغ طولها حوالي 10 إلى 12 سم وقطرها 2 سم وتقع أمام المريء وتمتد من الحنجرة إلى تجويف الصدر حيث تنقسم إلى قصبتين أساسيتين في منتصف الفخذ. وهي مصنوعة من حلقات غير مكتملة من غضروف زجاجي وعضلات ملساء ([رابط]). تبطن القصبة الهوائية بخلايا كأس منتجة للمخاط وظهارة مهدبة. تدفع الأهداب الجزيئات الغريبة المحاصرة في المخاط نحو البلعوم. يوفر الغضروف القوة والدعم للقصبة الهوائية للحفاظ على الممر مفتوحًا. يمكن أن تنقبض العضلة الملساء ، مما يقلل قطر القصبة الهوائية ، مما يتسبب في اندفاع الهواء المنتهي إلى الأعلى من الرئتين بقوة كبيرة. يساعد الزفير القسري على طرد المخاط عند السعال. يمكن أن تنقبض العضلات الملساء أو تسترخي ، اعتمادًا على المنبهات من البيئة الخارجية أو الجهاز العصبي للجسم.

الرئتين: القصبات الهوائية والحويصلات الهوائية

تنقسم نهاية القصبة الهوائية إلى الرئتين اليمنى واليسرى. الرئتان غير متطابقتين. الرئة اليمنى أكبر وتحتوي على ثلاثة فصوص ، بينما تحتوي الرئة اليسرى الأصغر على فصين ([رابط]). العضلي الحجاب الحاجز، مما يسهل التنفس ، يكون أدنى من (أسفل) الرئتين ويمثل نهاية التجويف الصدري.

في الرئتين ، يتم تحويل الهواء إلى ممرات أصغر وأصغر ، أو شعبتان. يدخل الهواء إلى الرئتين من خلال الاثنين القصبات الهوائية الأولية (الرئيسية) (المفرد: القصبات الهوائية). تنقسم كل قصبة إلى قصبات ثانوية ، ثم إلى قصبات من الدرجة الثالثة ، والتي بدورها تنقسم ، مما يخلق قطرًا أصغر وأصغر القصيبات لأنها تنقسم وتنتشر عبر الرئة. مثل القصبة الهوائية ، تتكون القصبات من غضاريف وعضلات ملساء. في القصيبات ، يتم استبدال الغضروف بألياف مرنة. يتم تعصب الشعب الهوائية بواسطة أعصاب كل من الجهاز العصبي السمبثاوي والجهاز السمبثاوي الذي يتحكم في انقباض العضلات (السمبتاوي) أو الاسترخاء (الودي) في الشعب الهوائية والقصيبات ، اعتمادًا على إشارات الجهاز العصبي. في البشر ، القصيبات التي يقل قطرها عن 0.5 مم هي القصيبات التنفسية. يفتقرون إلى الغضروف وبالتالي يعتمدون على الهواء المستنشق لدعم شكلهم. مع انخفاض قطر الممرات ، تزداد الكمية النسبية للعضلات الملساء.

ال القصيبات الطرفية تنقسم إلى فروع مجهرية تسمى القصيبات التنفسية. تنقسم القصيبات التنفسية إلى عدة قنوات سنخية. العديد من الحويصلات والأكياس السنخية تحيط بالقنوات السنخية. تشبه الأكياس السنخية عناقيد العنب المربوطة بنهاية القصيبات ([رابط]). في منطقة أسينار ، القنوات السنخيه تعلق على نهاية كل قصبة. في نهاية كل قناة ما يقرب من 100 الحويصلات السنخية، كل منها يحتوي على 20 إلى 30 الحويصلات الهوائية التي يتراوح قطرها بين 200 و 300 ميكرون. يحدث تبادل الغازات فقط في الحويصلات الهوائية. تتكون الحويصلات الهوائية من خلايا متني رقيقة الجدران ، وعادة ما تكون سميكة من خلية واحدة ، والتي تبدو وكأنها فقاعات صغيرة داخل الحويصلات. الحويصلات الهوائية على اتصال مباشر مع الشعيرات الدموية (خلية واحدة سميكة) في الدورة الدموية. يضمن هذا الاتصال الحميم أن الأكسجين سينتشر من الحويصلات الهوائية إلى الدم ويوزع على خلايا الجسم. بالإضافة إلى ذلك ، فإن ثاني أكسيد الكربون الذي تنتجه الخلايا كمنتج فضلات سينتشر من الدم إلى الحويصلات الهوائية ليتم الزفير. يؤكد الترتيب التشريحي للشعيرات الدموية والحويصلات الهوائية على العلاقة الهيكلية والوظيفية للجهاز التنفسي والدورة الدموية. لأن هناك الكثير من الحويصلات الهوائية (

300 مليون لكل رئة) داخل كل كيس سنخي والعديد من الأكياس في نهاية كل قناة سنخية ، تتمتع الرئتان بتماسك يشبه الإسفنج. تنتج هذه المنظمة مساحة كبيرة جدًا متاحة لتبادل الغازات. تبلغ مساحة سطح الحويصلات الهوائية في الرئتين حوالي 75 م 2. تسمح مساحة السطح الكبيرة هذه ، جنبًا إلى جنب مع الطبيعة الرقيقة الجدران للخلايا المتني السنخية ، للغازات بالانتشار بسهولة عبر الخلايا.

شاهد الفيديو التالي لمراجعة الجهاز التنفسي.

آليات الحماية

يحتوي الهواء الذي تتنفسه الكائنات الحية الجسيمات الدقيقه مثل الغبار والأوساخ والجزيئات الفيروسية والبكتيريا التي يمكن أن تلحق الضرر بالرئتين أو تؤدي إلى استجابات مناعية للحساسية. يحتوي الجهاز التنفسي على عدة آليات وقائية لتجنب المشاكل أو تلف الأنسجة. في تجويف الأنف ، يحبس الشعر والمخاط الجزيئات الصغيرة والفيروسات والبكتيريا والغبار والأوساخ لمنع دخولها.

إذا كانت الجسيمات تتجاوز الأنف ، أو تدخل من خلال الفم ، فإن القصبات الهوائية والقصيبات الهوائية في الرئتين تحتوي أيضًا على العديد من الأجهزة الوقائية. تنتج الرئتان مخاط- مادة لزجة مصنوعة من موسين، وهو بروتين سكري معقد ، بالإضافة إلى الأملاح والماء — الذي يحبس الجسيمات. تحتوي القصبات والشعيبات على أهداب ، نتوءات صغيرة تشبه الشعر تبطن جدران القصبات الهوائية والقصيبات ([رابط]). تنبض هذه الأهداب بانسجام وتحرك المخاط والجسيمات خارج القصبات الهوائية والقصيبات إلى الحلق حيث يتم ابتلاعها والتخلص منها عبر المريء.

في البشر ، على سبيل المثال ، القطران والمواد الأخرى الموجودة في دخان السجائر تدمر أو تشل الأهداب ، مما يجعل إزالة الجزيئات أكثر صعوبة. بالإضافة إلى ذلك ، يتسبب التدخين في زيادة إفراز الرئتين للمخاط الذي لا تستطيع الأهداب التالفة تحريكه. هذا يسبب سعالًا مستمرًا ، حيث تحاول الرئتان التخلص من الجسيمات ، ويجعل المدخنين أكثر عرضة لأمراض الجهاز التنفسي.

ملخص القسم

تم تصميم أنظمة التنفس الحيواني لتسهيل تبادل الغازات. في الثدييات ، يتم تدفئة الهواء وترطيبه في تجويف الأنف. ثم ينتقل الهواء إلى أسفل البلعوم ، عبر القصبة الهوائية ثم إلى الرئتين. في الرئتين ، يمر الهواء عبر القصبات الهوائية المتفرعة ، ليصل إلى القصيبات التنفسية ، والتي تضم أول موقع لتبادل الغازات. تنفتح القصيبات التنفسية في القنوات السنخية والحويصلات السنخية والحويصلات الهوائية. نظرًا لوجود العديد من الحويصلات والأكياس السنخية في الرئة ، فإن مساحة سطح تبادل الغازات كبيرة جدًا. توجد عدة آليات وقائية لمنع الضرر أو العدوى. يشمل ذلك الشعر والمخاط في تجويف الأنف الذي يحبس الغبار والأوساخ والمواد الجسيمية الأخرى قبل أن يتمكنوا من دخول النظام. في الرئتين ، تحبس الجزيئات في طبقة مخاطية ويتم نقلها عبر الأهداب حتى فتحة المريء في الجزء العلوي من القصبة الهوائية ليتم ابتلاعها.

[رابط] أي من العبارات التالية خاطئة عن الجهاز التنفسي للثدييات؟


اتصال فني

يدخل الهواء إلى الجهاز التنفسي من خلال التجويف الأنفي والبلعوم ، ثم يمر عبر القصبة الهوائية إلى القصبات الهوائية ، التي تجلب الهواء إلى الرئتين. (الائتمان: تعديل العمل بواسطة NCI)

أي من العبارات التالية خاطئة عن الجهاز التنفسي للثدييات؟

  1. عندما نتنفس ، ينتقل الهواء من البلعوم إلى القصبة الهوائية.
  2. تتفرع القصيبات إلى قصبات.
  3. تتصل القنوات السنخية بالحويصلات السنخية.
  4. يحدث تبادل الغازات بين الرئة والدم في الحويصلات الهوائية.

من تجويف الأنف ، يمر الهواء عبر البلعوم (الحلق) والحنجرة (صندوق الصوت) ، حيث يشق طريقه إلى القصبة الهوائية (الشكل). وتتمثل الوظيفة الرئيسية للقصبة الهوائية في تحويل الهواء المستنشق إلى الرئتين وهواء الزفير للخارج من الجسم. القصبة الهوائية البشرية عبارة عن أسطوانة يبلغ طولها حوالي 10 إلى 12 سم وقطرها 2 سم وتقع أمام المريء وتمتد من الحنجرة إلى تجويف الصدر حيث تنقسم إلى قصبتين أساسيتين في منتصف الفخذ. وهي مصنوعة من حلقات غير مكتملة من الغضروف الزجاجي والعضلات الملساء (الشكل). تبطن القصبة الهوائية بخلايا كأس منتجة للمخاط وظهارة مهدبة. تدفع الأهداب الجزيئات الغريبة المحاصرة في المخاط نحو البلعوم. يوفر الغضروف القوة والدعم للقصبة الهوائية للحفاظ على الممر مفتوحًا. يمكن أن تنقبض العضلة الملساء ، مما يقلل قطر القصبة الهوائية ، مما يتسبب في اندفاع الهواء المنتهي إلى الأعلى من الرئتين بقوة كبيرة. يساعد الزفير القسري على طرد المخاط عند السعال. يمكن أن تنقبض العضلات الملساء أو تسترخي ، اعتمادًا على المنبهات من البيئة الخارجية أو الجهاز العصبي للجسم.

تتكون القصبة الهوائية والشعب الهوائية من حلقات غضروفية غير مكتملة. (الائتمان: تعديل العمل من قبل تشريح جرايز)


قائمة المصطلحات

قناة سنخية

القناة التي تمتد من القصيبات الطرفية إلى الكيس السنخي

الكيس السنخي

هيكل يتكون من اثنين أو أكثر من الحويصلات الهوائية التي تشترك في فتحة مشتركة

الحويصلة الهوائية

(جمع: الحويصلات الهوائية) (أيضًا ، كيس هوائي) المنطقة الطرفية من الرئة حيث يحدث تبادل الغازات

القصبات الهوائية

(جمع: القصبات) يتم تمرير فرع أصغر من النسيج الغضروفي الذي ينبع من هواء القصبة الهوائية عبر القصبات الهوائية إلى المنطقة التي يحدث فيها تبادل الغازات في الحويصلات الهوائية

القصبة الهوائية

مجرى الهواء الذي يمتد من الشعب الهوائية الثلاثية الرئيسية إلى الكيس السنخي

الحجاب الحاجز

عضلة هيكلية على شكل قبة تقع تحت الرئتين تفصل التجويف الصدري عن تجويف البطن

الحنجرة

صندوق الصوت ، وهو ممر قصير يربط البلعوم والقصبة الهوائية

موسين

بروتين سكري معقد موجود في المخاط

مخاط

إفراز سائل لزج يحتوي على بروتين في الرئة يحبس الجسيمات ليتم طردها من الجسم

تجويف أنفي

فتح الجهاز التنفسي على البيئة الخارجية

الجسيمات الدقيقه

جسيمات صغيرة مثل الغبار والأوساخ والجسيمات الفيروسية والبكتيريا الموجودة في الهواء

البلعوم

الحلق أنبوب يبدأ في الفتحات الداخلية ويمتد إلى أسفل الرقبة ، حيث يفتح في المريء والحنجرة

القصبات الهوائية الأولية

(أيضًا ، القصبة الهوائية الرئيسية) منطقة من مجرى الهواء داخل الرئة والتي ترتبط بالقصبة الهوائية وتتشعب إلى كل رئة حيث تتفرع إلى قصبات ثانوية

القصبات التنفسية

الجزء الطرفي من شجرة القصيبات المرتبط بالقصبات الطرفية والقنوات الحويصلات الهوائية والحويصلات السنخية والحويصلات الهوائية

القصيبات الطرفية

منطقة القصيبات التي تعلق على القصبات التنفسية

ةقصبة الهوائية

الأنبوب الغضروفي الذي ينقل الهواء من الحنجرة إلى القصبات الهوائية الأولية


اكتشف علم الأحياء ، 3 ed.

فيما يلي بعض الأسئلة التي يجب مراعاتها قبل قراءة الفصل 22. ستساعد هذه الأسئلة في توجيه استكشافك ومساعدتك في تحديد بعض المفاهيم الأساسية الواردة في هذا الفصل.

  1. لماذا تأخذ الحيوانات الأكسجين وتطلق ثاني أكسيد الكربون أثناء التنفس؟
  2. ما هي المكونات التي تتكون منها رئة الإنسان؟
  3. في أي جزء من رئتي الإنسان يحدث تبادل الأكسجين وثاني أكسيد الكربون مع الدورة الدموية؟
  4. ما الدور الذي يلعبه الانتشار في تبادل الأكسجين وثاني أكسيد الكربون؟ كيف يحد من تبادل الغازات؟
  5. ما هي التكيفات التي تطورت لزيادة معدل تبادل الغازات في الحيوانات؟
  6. لماذا توجد اختلافات بين أعضاء الجهاز التنفسي للحيوانات البرية والمائية؟
  7. كيف يتفاعل الجهاز التنفسي والدورة الدموية لتوصيل الأكسجين إلى الأنسجة؟
  8. كيف يزيد الهيموجلوبين من كمية الأكسجين التي يتم نقلها في الدم؟
  9. كيف تتنفس الحشرات؟

دليل للقراءة

عند استكشاف المحتوى في الفصل 22 لأول مرة ، فإن المفاهيم التالية عادةً ما تجعل الطلاب أكثر صعوبة. لكل مفهوم ، تم تحديد مرجع واحد أو أكثر مما قد يساعدك على اكتساب فهم أفضل لهذه المجالات التي يحتمل أن تكون إشكالية.

الانتشار كقوة دافعة للتنفس

تحتاج خلايا جميع الحيوانات إلى الأكسجين للبقاء ، ونتيجة لهذا التنفس ، فإنها تنتج ثاني أكسيد الكربون. حركة هذين الغازين بين الرئتين والدم وبين الدم والأنسجة تحكمها مبادئ الانتشار. كما هو مذكور في الفصل السادس ، الانتشار هو الحركة السلبية للغاز من منطقة عالية التركيز إلى منطقة ذات تركيز منخفض. على مستوى الرئتين ، يحتوي الدم عادةً على تركيز أكسجين أقل من الغاز الموجود في الحويصلات الهوائية. نتيجة لذلك ، ينتشر الأكسجين في الدم. تستهلك الخلية التي تتنفس الأكسجين ، وبالتالي يكون تركيز الأكسجين فيها أقل من الدم في الشعيرات الدموية. يعتمد الانتشار على كل من مساحة السطح المتاحة للتبادل والمسافة التي يجب أن تنتشر فيها الجزيئات. لزيادة تبادل الغازات ، طورت الحيوانات مساحات سطحية متزايدة لأعضائها التنفسية. عندما تقرأ عن بنية ووظيفة الأجهزة التنفسية ، تذكر أن العوامل الأساسية الثلاثة التي تحكم تبادل الغازات هي تدرج تركيز الغاز ، وكمية مساحة السطح المتاحة لتبادل الغازات ، والمسافة التي يحدث فيها الانتشار. التغييرات في أي من هذه سوف تؤثر على تبادل الغازات.

لمزيد من المعلومات حول هذا المفهوم ، تأكد من التركيز على:

  • في القسم 22.2 ، القاعدة 1: تنتشر الغازات من مناطق التركيز العالي إلى مناطق التركيز المنخفض
  • في القسم 22.2 ، القاعدة 2: يعتمد عدد الجزيئات المتبادلة لكل وحدة زمنية على مساحة سطح الانتشار
  • الشكل 22.6 ، العلاقة بين حجم الجسم ووقت الانتشار

تكيف أنظمة الجهاز التنفسي

طورت الحيوانات مجموعة متنوعة من أعضاء الجهاز التنفسي التي تسمح لها بتناول الأكسجين في الموائل المتنوعة التي تعيش فيها. كما هو مذكور أعلاه ، فإن التكيف التنفسي الرئيسي هو زيادة مساحة السطح المتاحة لتبادل الغازات. Other adaptations have come about based on the environment in which an animal lives, either water or air. The concentrations of oxygen and carbon dioxide differ between air and water with the concentration of oxygen being much higher in air than in water. In contrast, carbon dioxide concentrations are similar in both. Additionally, differences in density between water and air influence the uptake of gases. Diffusion takes place more slowly in water because water is denser than air. Aquatic organisms must therefore move large quantities of water over their gas exchange surfaces to get the same amount of gas found in a much smaller volume of air. Aquatic organisms tend to have gills with large surface areas that they can easily move water across. Because respiratory surfaces must be moist to facilitate gas exchange, land animals evolved internal lungs to help reduce water loss during gas exchange. Terrestrial gas exchange thus represents a compromise between the organism&rsquos need to obtain the necessary gases for respiration and the need to limit water loss. Respiratory organs are adapted to an organism&rsquos life style, with active species tending to have larger respiratory surface areas than less active species. The size of the surface area devoted to gas exchange in an organism is directly proportional to the organism&rsquos size and metabolic needs.

For more information on this concept, be sure to focus on:

  • In Section 22.2, Rule 2: The number of molecules exchanged per unit of time depends on the diffusion surface area
  • In Section 22.3, Lungs do not work well under water
  • In Section 22.3, Why don&rsquot land animals have gills?
  • Figure 22.4, Oxygen Availability Differs Among Habitats
  • Figure 22.5, The Surface Area of Fish Gills Varies With Activity Level
  • Figure 22.7, Lungs and Gills Compared

Oxygen Carrying Ability of Hemoglobin

Because of their large size diffusion would be too slow to supply enough oxygen to all of the cells within the body of an animal. To overcome this, many animals have an internal circulatory system that transports oxygen from the site of gas exchange with the environment directly to the respiring cells. In humans, the protein hemoglobin found in the red blood cells aids in this transport of oxygen in the blood. Hemoglobin is a pigment that reversibly binds with oxygen when surrounding oxygen levels are high at the lungs it binds oxygen from the plasma, and when surrounding oxygen levels near a respiring cell are low it dissociates from oxygen. By taking on four oxygen molecules per hemoglobin from the surrounding plasma, hemoglobin helps keep the oxygen content of the plasma low. This maintains a concentration gradient between the plasma and the alveoli allowing diffusion to continue. The presence of hemoglobin increases the oxygen-carrying capacity of blood from 2 ml per L to 190 ml per L.

For more information on this concept, be sure to focus on:

  • In Section 22.4, Pigment molecules increase the efficiency of oxygen transport
  • Figure 22.9, Hemoglobin Can Bind and Release Oxygen

Tying it all together

Several concepts presented in this chapter build upon concepts presented in previous chapters and are also revisited and discussed in greater detail in subsequent chapters, including:


شاهد الفيديو: توجيهيفصل المناعة تبادل الغازات ونقلها (كانون الثاني 2022).