22.4: تبادل الغاز
- Page ID
- 203210
أهداف التعلم
- قارن تكوين الهواء الجوي والهواء السنخي
- وصف الآليات التي تدفع تبادل الغازات
- ناقش أهمية التهوية الكافية والنضح، وكيف يتكيف الجسم عندما لا يكونان كافيين
- ناقش عملية التنفس الخارجي
- وصف عملية التنفس الداخلي
الغرض من الجهاز التنفسي هو إجراء تبادل الغازات. توفر التهوية الرئوية الهواء للحويصلات الهوائية لعملية تبادل الغازات هذه. في الغشاء التنفسي، حيث تلتقي الجدران السنخية والشعيرية، تتحرك الغازات عبر الأغشية، مع دخول الأكسجين إلى مجرى الدم وخروج ثاني أكسيد الكربون. من خلال هذه الآلية يتم تزويد الدم بالأكسجين ويتم إزالة ثاني أكسيد الكربون، وهو نفايات التنفس الخلوي، من الجسم.
تبادل الغاز
من أجل فهم آليات تبادل الغازات في الرئة، من المهم فهم المبادئ الأساسية للغازات وسلوكها. بالإضافة إلى قانون بويل، تساعد العديد من قوانين الغاز الأخرى في وصف سلوك الغازات.
قوانين الغاز وتكوين الهواء
تمارس جزيئات الغاز القوة على الأسطح التي تتلامس معها؛ وتسمى هذه القوة بالضغط. في الأنظمة الطبيعية، توجد الغازات عادة كمزيج من أنواع مختلفة من الجزيئات. على سبيل المثال، يتكون الغلاف الجوي من الأكسجين والنيتروجين وثاني أكسيد الكربون والجزيئات الغازية الأخرى، ويمارس هذا الخليط الغازي ضغطًا معينًا يشار إليه بالضغط الجوي (الجدول\(\PageIndex{1}\)). الضغط الجزئي (P x) هو ضغط نوع واحد من الغاز في خليط من الغازات. على سبيل المثال، في الغلاف الجوي، يمارس الأكسجين ضغطًا جزئيًا، ويمارس النيتروجين ضغطًا جزئيًا آخر، بغض النظر عن الضغط الجزئي للأكسجين (الشكل\(\PageIndex{1}\)).

الضغط الكلي هو مجموع كل الضغوط الجزئية للمزيج الغازي. يصف قانون دالتون سلوك الغازات غير التفاعلية في الخليط الغازي وينص على أن نوعًا معينًا من الغاز في الخليط يمارس ضغطه الخاص؛ وبالتالي، فإن الضغط الكلي الذي يمارسه خليط من الغازات هو مجموع الضغوط الجزئية للغازات في الخليط.
الغاز | النسبة المئوية من إجمالي التكوين | الضغط الجزئي (ملم زئبق) |
---|---|---|
نيتروجين (ن 2) | 78.6 | 597.4 |
الأكسجين (O 2) | 20.9 | 158.8 |
الماء (H 2 O) | 0.04 | 3.0 |
ثاني أكسيد الكربون (CO 2) | 0.004 | 0.3 |
أخرى | 0.0006 | 0.5 |
إجمالي التركيب/إجمالي الضغط الجوي | 100% | 760.0 |
الضغط الجزئي مهم للغاية في التنبؤ بحركة الغازات. تذكر أن الغازات تميل إلى معادلة ضغطها في منطقتين متصلتين. سينتقل الغاز من منطقة يكون فيها ضغطه الجزئي أعلى إلى منطقة يكون فيها ضغطه الجزئي أقل. بالإضافة إلى ذلك، كلما زاد فرق الضغط الجزئي بين المنطقتين، زادت سرعة حركة الغازات.
قابلية ذوبان الغازات في السوائل
يصف قانون هنري سلوك الغازات عندما تتلامس مع سائل، مثل الدم. ينص قانون هنري على أن تركيز الغاز في السائل يتناسب طرديًا مع قابلية الذوبان والضغط الجزئي لذلك الغاز. كلما زاد الضغط الجزئي للغاز، زاد عدد جزيئات الغاز التي ستذوب في السائل. يعتمد تركيز الغاز في السائل أيضًا على قابلية ذوبان الغاز في السائل. على سبيل المثال، على الرغم من وجود النيتروجين في الغلاف الجوي، فإن القليل جدًا من النيتروجين يذوب في الدم، لأن قابلية ذوبان النيتروجين في الدم منخفضة جدًا. الاستثناء من ذلك يحدث في الغواصين؛ حيث يؤدي تكوين الهواء المضغوط الذي يتنفسه الغواصون إلى ارتفاع ضغط النيتروجين جزئيًا عن المعتاد، مما يؤدي إلى ذوبانه في الدم بكميات أكبر من المعتاد. يؤدي وجود الكثير من النيتروجين في مجرى الدم إلى حالة خطيرة يمكن أن تكون قاتلة إذا لم يتم تصحيحها. تنشئ جزيئات الغاز توازنًا بين تلك الجزيئات الذائبة في السائل وتلك الموجودة في الهواء.
يختلف تكوين الهواء في الغلاف الجوي وفي الحويصلات الهوائية. في كلتا الحالتين، يكون التركيز النسبي للغازات هو النيتروجين > الأكسجين > بخار الماء > ثاني أكسيد الكربون. كمية بخار الماء الموجودة في الهواء السنخي أكبر من تلك الموجودة في الهواء الجوي (الجدول\(\PageIndex{1}\)). تذكر أن الجهاز التنفسي يعمل على ترطيب الهواء الداخل، مما يتسبب في احتواء الهواء الموجود في الحويصلات الهوائية على كمية أكبر من بخار الماء مقارنة بالهواء الجوي. بالإضافة إلى ذلك، يحتوي الهواء السنخي على كمية أكبر من ثاني أكسيد الكربون وأكسجين أقل من الهواء الجوي. هذا ليس مفاجئًا، حيث يزيل تبادل الغازات الأكسجين ويضيف ثاني أكسيد الكربون إلى الهواء السنخي. يتسبب كل من التنفس العميق والقسري في تغيير تكوين الهواء السنخي بسرعة أكبر من التنفس الهادئ. ونتيجة لذلك، تتغير الضغوط الجزئية للأكسجين وثاني أكسيد الكربون، مما يؤثر على عملية الانتشار التي تنقل هذه المواد عبر الغشاء. سيؤدي ذلك إلى دخول الأكسجين وخروج ثاني أكسيد الكربون من الدم بسرعة أكبر.
الغاز | النسبة المئوية من إجمالي التكوين | الضغط الجزئي (ملم زئبق) |
---|---|---|
نيتروجين (ن 2) | 74.9 | 569 |
الأكسجين (O 2) | 13.7 | 104 |
الماء (H 2 O) | 6.2 | 40 |
ثاني أكسيد الكربون (CO 2) | 5.2 | 47 |
إجمالي التركيب/إجمالي الضغط السنخي | 100% | 760.0 |
التهوية والنضح
هناك جانبان مهمان لتبادل الغازات في الرئة هما التهوية والنضح. التهوية هي حركة الهواء داخل وخارج الرئتين، والنضح هو تدفق الدم في الشعيرات الدموية الرئوية. لكي يكون تبادل الغاز فعالاً، يجب أن تكون الأحجام المستخدمة في التهوية والنضح متوافقة. ومع ذلك، يمكن أن تتسبب عوامل مثل تأثيرات الجاذبية الإقليمية على الدم أو القنوات السنخية المسدودة أو المرض في اختلال توازن التهوية والنضح.
يبلغ الضغط الجزئي للأكسجين في الهواء السنخي حوالي 104 ملم زئبق، بينما يبلغ الضغط الجزئي للدم الوريدي الرئوي المؤكسج حوالي 100 ملم زئبق. عندما تكون التهوية كافية، يدخل الأكسجين الحويصلات الهوائية بمعدل مرتفع، ويظل الضغط الجزئي للأكسجين في الحويصلات الهوائية مرتفعًا. في المقابل، عندما تكون التهوية غير كافية، ينخفض الضغط الجزئي للأكسجين في الحويصلات الهوائية. بدون الاختلاف الكبير في الضغط الجزئي بين الحويصلات الهوائية والدم، لا ينتشر الأكسجين بكفاءة عبر الغشاء التنفسي. لدى الجسم آليات لمواجهة هذه المشكلة. في الحالات التي لا تكون فيها التهوية كافية للحويصلات الهوائية، يقوم الجسم بإعادة توجيه تدفق الدم إلى الحويصلات الهوائية التي تتلقى تهوية كافية. يتم تحقيق ذلك عن طريق تضييق الشرايين الرئوية التي تخدم الحويصلات الهوائية المختلة، والتي تعيد توجيه الدم إلى الحويصلات الهوائية الأخرى التي تتمتع بتهوية كافية. في الوقت نفسه، تتوسع الشرايين الرئوية التي تخدم الحويصلات الهوائية التي تتلقى تهوية كافية، مما يؤدي إلى زيادة تدفق الدم. يمكن أن تعمل عوامل مثل ثاني أكسيد الكربون والأكسجين ومستويات الأس الهيدروجيني كمحفزات لتعديل تدفق الدم في الشبكات الشعرية المرتبطة بالحويصلات الهوائية.
يتم تنظيم التهوية من خلال قطر الشعب الهوائية، في حين يتم تنظيم التروية بقطر الأوعية الدموية. قطر القصيبات حساس للضغط الجزئي لثاني أكسيد الكربون في الحويصلات الهوائية. يؤدي الضغط الجزئي الأكبر لثاني أكسيد الكربون في الحويصلات الهوائية إلى زيادة قطر القصبات الهوائية وكذلك انخفاض مستوى الأكسجين في إمدادات الدم، مما يسمح بزفير ثاني أكسيد الكربون من الجسم بمعدل أكبر. كما ذكرنا سابقًا، يؤدي الضغط الجزئي الأكبر للأكسجين في الحويصلات الهوائية إلى تمدد الشرايين الرئوية، مما يزيد من تدفق الدم.
تبادل الغاز
يحدث تبادل الغازات في موقعين في الجسم: في الرئتين، حيث يتم التقاط الأكسجين وإطلاق ثاني أكسيد الكربون في الغشاء التنفسي، وفي الأنسجة، حيث يتم إطلاق الأكسجين والتقاط ثاني أكسيد الكربون. التنفس الخارجي هو تبادل الغازات مع البيئة الخارجية، ويحدث في الحويصلات الهوائية للرئتين. التنفس الداخلي هو تبادل الغازات مع البيئة الداخلية، ويحدث في الأنسجة. يحدث التبادل الفعلي للغازات بسبب الانتشار البسيط. الطاقة ليست مطلوبة لنقل الأكسجين أو ثاني أكسيد الكربون عبر الأغشية. بدلاً من ذلك، تتبع هذه الغازات تدرجات الضغط التي تسمح لها بالانتشار. يزيد تشريح الرئة من انتشار الغازات: الغشاء التنفسي عالي النفاذية للغازات؛ الأغشية التنفسية والشعيرية الدموية رقيقة جدًا؛ وهناك مساحة سطحية كبيرة في جميع أنحاء الرئتين.
التنفس الخارجي
ينقل الشريان الرئوي الدم غير المؤكسج إلى الرئتين من القلب، حيث يتفرع ويصبح في النهاية شبكة شعرية تتكون من الشعيرات الدموية الرئوية. هذه الشعيرات الدموية الرئوية تخلق الغشاء التنفسي مع الحويصلات الهوائية (الشكل\(\PageIndex{2}\)). عندما يتم ضخ الدم عبر هذه الشبكة الشعرية، يحدث تبادل الغازات. على الرغم من أن كمية صغيرة من الأكسجين قادرة على الذوبان مباشرة في البلازما من الحويصلات الهوائية، فإن معظم الأكسجين يتم التقاطه بواسطة كريات الدم الحمراء (خلايا الدم الحمراء) ويرتبط ببروتين يسمى الهيموجلوبين، وهي عملية تم وصفها لاحقًا في هذا الفصل. الهيموغلوبين المؤكسج أحمر، مما يتسبب في ظهور الدم المؤكسج باللون الأحمر الساطع، والذي يعود إلى القلب من خلال الأوردة الرئوية. يتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون في الاتجاه المعاكس للأكسجين، من الدم إلى الحويصلات الهوائية. يتم إرجاع بعض ثاني أكسيد الكربون على الهيموجلوبين، ولكن يمكن أيضًا إذابته في البلازما أو وجوده كشكل محوّل، كما سيتم شرحه بمزيد من التفصيل لاحقًا في هذا الفصل.
يحدث التنفس الخارجي كدالة لاختلافات الضغط الجزئي في الأكسجين وثاني أكسيد الكربون بين الحويصلات الهوائية والدم في الشعيرات الدموية الرئوية.

على الرغم من أن قابلية ذوبان الأكسجين في الدم ليست عالية، إلا أن هناك فرقًا كبيرًا في الضغط الجزئي للأكسجين في الحويصلات الهوائية مقابل دم الشعيرات الدموية الرئوية. يبلغ هذا الاختلاف حوالي 64 ملم زئبق: يبلغ الضغط الجزئي للأكسجين في الحويصلات الهوائية حوالي 104 ملم زئبق، بينما يبلغ ضغطه الجزئي في دم الشعيرات الدموية حوالي 40 ملم زئبق. هذا الاختلاف الكبير في الضغط الجزئي يخلق تدرجًا قويًا للضغط يؤدي إلى عبور الأكسجين بسرعة للغشاء التنفسي من الحويصلات الهوائية إلى الدم.
يختلف الضغط الجزئي لثاني أكسيد الكربون أيضًا بين الهواء السنخي ودم الشعيرات الدموية. ومع ذلك، فإن فرق الضغط الجزئي أقل من فرق الأكسجين، حوالي 5 ملم زئبق. يبلغ الضغط الجزئي لثاني أكسيد الكربون في دم الشعيرات الدموية حوالي 45 ملم زئبق، بينما يبلغ ضغطه الجزئي في الحويصلات الهوائية حوالي 40 ملم زئبق. ومع ذلك، فإن قابلية ذوبان ثاني أكسيد الكربون أكبر بكثير من ذوبانية الأكسجين - بعامل يبلغ حوالي 20 - في كل من الدم والسوائل السنخية. ونتيجة لذلك، تتشابه التركيزات النسبية للأكسجين وثاني أكسيد الكربون المنتشرة عبر الغشاء التنفسي.
التنفس الداخلي
التنفس الداخلي هو تبادل الغازات الذي يحدث على مستوى أنسجة الجسم (الشكل\(\PageIndex{3}\)). على غرار التنفس الخارجي، يحدث التنفس الداخلي أيضًا كانتشار بسيط بسبب تدرج الضغط الجزئي. ومع ذلك، فإن تدرجات الضغط الجزئي هي عكس تلك الموجودة في الغشاء التنفسي. الضغط الجزئي للأكسجين في الأنسجة منخفض، حوالي 40 ملم زئبق، لأن الأكسجين يستخدم باستمرار للتنفس الخلوي. في المقابل، يبلغ الضغط الجزئي للأكسجين في الدم حوالي 100 ملم زئبق. يؤدي هذا إلى حدوث تدرج في الضغط يؤدي إلى انفصال الأكسجين عن الهيموجلوبين، وانتشاره خارج الدم، وعبور الفضاء الخلالي، ودخول الأنسجة. يفقد الهيموجلوبين الذي يحتوي على القليل من الأكسجين المرتبط به الكثير من سطوعه، بحيث يصبح الدم العائد إلى القلب أكثر عناديًا في اللون.
بالنظر إلى أن التنفس الخلوي ينتج ثاني أكسيد الكربون باستمرار، فإن الضغط الجزئي لثاني أكسيد الكربون يكون أقل في الدم منه في الأنسجة، مما يتسبب في انتشار ثاني أكسيد الكربون خارج الأنسجة، وعبور السائل الخلالي، ودخول الدم. ثم يتم نقله مرة أخرى إلى الرئتين إما مرتبطًا بالهيموجلوبين أو مذاب في البلازما أو في شكل محوّل. في الوقت الذي يعود فيه الدم إلى القلب، عاد الضغط الجزئي للأكسجين إلى حوالي 40 ملم زئبق، وعاد الضغط الجزئي لثاني أكسيد الكربون إلى حوالي 45 ملم زئبق. ثم يتم ضخ الدم مرة أخرى إلى الرئتين ليتم تزويده بالأكسجين مرة أخرى أثناء التنفس الخارجي.

علاج غرفة الضغط العالي
يعد علاج غرفة الضغط العالي نوعًا من الأجهزة المستخدمة في بعض مجالات الطب التي تستغل سلوك الغازات. غرفة الضغط العالي هي وحدة يمكن إغلاقها وتعريض المريض إما للأكسجين بنسبة 100 في المائة مع زيادة الضغط أو خليط من الغازات التي تحتوي على تركيز أعلى من الأكسجين مقارنة بالهواء الجوي العادي، وأيضًا عند ضغط جزئي أعلى من الغلاف الجوي. هناك نوعان رئيسيان من الغرف: أحادية المكان ومتعددة الأماكن. عادةً ما تكون الغرف أحادية المكان لمريض واحد، ويقوم الموظفون الذين يرعون المريض بمراقبة المريض من خارج الغرفة (الشكل\(\PageIndex{4}\)). تحتوي بعض المرافق على غرف خاصة للضغط العالي أحادية الموضع تسمح بمعالجة العديد من المرضى في وقت واحد، عادةً في وضع الجلوس أو الاستلقاء، للمساعدة في تخفيف الشعور بالعزلة أو الخوف من الأماكن المغلقة. الغرف متعددة الأماكن كبيرة بما يكفي لعلاج العديد من المرضى في وقت واحد، والموظفون الذين يحضرون هؤلاء المرضى موجودون داخل الغرفة. في غرفة متعددة الأماكن، غالبًا ما يتم علاج المرضى بالهواء عبر قناع أو غطاء، ويتم ضغط الغرفة.

مراجعة الفصل
يمكن تفسير سلوك الغازات من خلال مبادئ قانون دالتون وقانون هنري، وكلاهما يصف جوانب تبادل الغاز. ينص قانون دالتون على أن كل غاز محدد في خليط من الغازات يمارس القوة (ضغطه الجزئي) بشكل مستقل عن الغازات الأخرى في الخليط. ينص قانون هنري على أن كمية الغاز المحدد الذي يذوب في السائل هي دالة لضغطه الجزئي. كلما زاد الضغط الجزئي للغاز، كلما زاد ذوبان هذا الغاز في السائل، بينما يتحرك الغاز نحو التوازن. تتحرك جزيئات الغاز إلى أسفل تدرج الضغط؛ بمعنى آخر، ينتقل الغاز من منطقة ذات ضغط مرتفع إلى منطقة ذات ضغط منخفض. الضغط الجزئي للأكسجين مرتفع في الحويصلات الهوائية ومنخفض في دم الشعيرات الدموية الرئوية. ونتيجة لذلك، ينتشر الأكسجين عبر الغشاء التنفسي من الحويصلات الهوائية إلى الدم. في المقابل، يكون الضغط الجزئي لثاني أكسيد الكربون مرتفعًا في الشعيرات الدموية الرئوية ومنخفضًا في الحويصلات الهوائية. لذلك، ينتشر ثاني أكسيد الكربون عبر الغشاء التنفسي من الدم إلى الحويصلات الهوائية. تتشابه كمية الأكسجين وثاني أكسيد الكربون التي تنتشر عبر الغشاء التنفسي.
التهوية هي العملية التي تنقل الهواء داخل وخارج الحويصلات الهوائية، ويؤثر التروية على تدفق الدم في الشعيرات الدموية. كلاهما مهم في تبادل الغازات، حيث يجب أن تكون التهوية كافية لخلق ضغط جزئي مرتفع للأكسجين في الحويصلات الهوائية. إذا كانت التهوية غير كافية وانخفض الضغط الجزئي للأكسجين في الهواء السنخي، يتم تقييد الشعيرات الدموية وإعادة توجيه تدفق الدم إلى الحويصلات الهوائية مع التهوية الكافية. يشير التنفس الخارجي إلى تبادل الغازات الذي يحدث في الحويصلات الهوائية، بينما يشير التنفس الداخلي إلى تبادل الغازات الذي يحدث في الأنسجة. كلاهما مدفوع باختلافات الضغط الجزئية.
مراجعة الأسئلة
س: ينتقل الغاز من منطقة ضغط جزئي ________ إلى منطقة ضغط جزئي ________.
أ. منخفض؛ مرتفع
B. منخفض؛ منخفض
ج. مرتفع؛ مرتفع
د. مرتفع؛ منخفض
الإجابة: د
سؤال: عندما لا تكون التهوية كافية، أي مما يلي يحدث؟
أ- تضيق الشعيرات الدموية.
B. تتوسع الشعيرات الدموية.
C. يزداد الضغط الجزئي للأكسجين في الحويصلات الهوائية المصابة.
D. تتوسع القصبات الهوائية.
الإجابة: أ
س: تبادل الغازات الذي يحدث على مستوى الأنسجة يسمى ________.
أ. التنفس الخارجي
ب. التنفس بين الرئتين
ج. التنفس الداخلي
د. التهوية الرئوية
الإجابة: ج
س: يبلغ الضغط الجزئي لثاني أكسيد الكربون 45 ملم زئبق في الدم و 40 ملم زئبق في الحويصلات الهوائية. ماذا يحدث لثاني أكسيد الكربون؟
ج: ينتشر في الدم.
B. ينتشر في الحويصلات الهوائية.
ج- التدرج صغير جدًا بحيث لا ينتشر ثاني أكسيد الكربون.
D. تتحلل إلى الكربون والأكسجين.
الإجابة: ب
أسئلة التفكير النقدي
س: قارن وقارن بين قانون دالتون وقانون هنري.
ج: تصف قوانين دالتون وهنري سلوك الغازات. ينص قانون دالتون على أن أي غاز في خليط من الغازات يمارس القوة كما لو لم يكن في خليط. ينص قانون هنري على أن جزيئات الغاز تذوب في سائل يتناسب مع ضغطها الجزئي.
س: يُصاب المدخن بتلف العديد من الحويصلات الهوائية التي لم تعد قادرة على العمل. كيف يؤثر ذلك على تبادل الغاز؟
ج: لن تحتوي الحويصلات الهوائية التالفة على تهوية كافية، مما يؤدي إلى انخفاض الضغط الجزئي للأكسجين في الحويصلات الهوائية. ونتيجة لذلك، ستتقلص الشعيرات الدموية الرئوية التي تخدم هذه الحويصلات الهوائية، مما يعيد توجيه تدفق الدم إلى الحويصلات الهوائية الأخرى التي تتلقى تهوية كافية.
مسرد المصطلحات
- قانون دالتون
- بيان بالمبدأ القائل بأن نوع غاز معين في الخليط يمارس ضغطه الخاص، كما لو أن نوع الغاز المحدد لم يكن جزءًا من خليط من الغازات
- تنفس خارجي
- تبادل الغازات الذي يحدث في الحويصلات الهوائية
- قانون هنري
- بيان مبدأ أن تركيز الغاز في السائل يتناسب طرديًا مع قابلية الذوبان والضغط الجزئي لذلك الغاز
- تنفس داخلي
- تبادل الغازات الذي يحدث على مستوى أنسجة الجسم
- ضغط جزئي
- القوة التي يمارسها كل غاز في خليط من الغازات
- الضغط الكلي
- مجموع كل الضغوط الجزئية للمزيج الغازي
- التهوية
- حركة الهواء داخل وخارج الرئتين؛ تتكون من الإلهام وانتهاء الصلاحية