39.1: Mifumo ya Kubadilishana gesi

Ujuzi wa Kuendeleza

• Eleza kifungu cha hewa kutoka kwenye mazingira ya nje hadi mapafu
• Eleza jinsi mapafu yanavyohifadhiwa kutokana na suala la chembechembe

Kazi ya msingi ya mfumo wa kupumua ni kutoa oksijeni kwenye seli za tishu za mwili na kuondoa dioksidi kaboni, bidhaa za taka za seli. Miundo kuu ya mfumo wa kupumua kwa binadamu ni cavity ya pua, trachea, na mapafu.

Viumbe vyote vya aerobic vinahitaji oksijeni kutekeleza kazi zao za kimetaboliki. Pamoja na mti wa mageuko, viumbe mbalimbali vimeunda njia tofauti za kupata oksijeni kutoka angahewa inayozunguka. Mazingira ambayo mnyama huishi sana huamua jinsi mnyama anavyopumzika. Ugumu wa mfumo wa kupumua unahusiana na ukubwa wa viumbe. Kama ukubwa wa wanyama huongezeka, umbali wa usambazaji huongezeka na uwiano wa eneo la uso kwa matone ya kiasi. Katika viumbe vya unicellular, kutenganishwa kwenye membrane ya seli ni ya kutosha kwa kusambaza oksijeni kwenye seli (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Diffusion ni polepole, passiv mchakato wa usafiri. Ili utbredningen kuwa njia inayowezekana ya kutoa oksijeni kwa seli, kiwango cha matumizi ya oksijeni lazima kilingane na kiwango cha utbredningen katika utando. Kwa maneno mengine, kama seli ingekuwa kubwa sana au nene, utbredningen bila kuwa na uwezo wa kutoa oksijeni haraka kutosha ndani ya seli. Kwa hiyo, utegemezi wa utbredningen kama njia ya kupata oksijeni na kuondoa dioksidi kaboni inabakia upembuzi yakinifu tu kwa viumbe vidogo au wale walio na miili yenye flattened, kama vile vidudu vingi (Platyhelminthes). Viumbe vikubwa vilipaswa kubadilika tishu maalumu za kupumua, kama vile gills, mapafu, na vifungu vya kupumua vinavyofuatana na mifumo tata ya mzunguko, ili kusafirisha oksijeni katika mwili wao wote.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Kiini cha mwani wa unicellular Ventricaria ventricosa ni mojawapo ya ukubwa unaojulikana, kufikia sentimita moja hadi tano kwa kipenyo. Kama viumbe vyote vya seli moja, V. ventricosa hubadilisha gesi kwenye membrane ya seli.

Ugawanyiko wa moja

Kwa viumbe vidogo vya seli mbalimbali, utbredningen katika utando wa nje ni wa kutosha ili kukidhi mahitaji yao ya oksijeni. Kubadilishana gesi kwa kutenganishwa moja kwa moja kwenye membrane ya uso ni ufanisi kwa viumbe chini ya 1 mm kwa kipenyo. Katika viumbe rahisi, kama vile cnidarians na flatworms, kila seli mwilini iko karibu na mazingira ya nje. Seli zao huhifadhiwa unyevu na gesi huenea haraka kupitia utbredningen moja kwa moja. Flatworms ni ndogo, minyoo halisi ya gorofa, ambayo 'kupumua' kupitia utbredningen katika utando wa nje (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)). Sura ya gorofa ya viumbe hivi huongeza eneo la uso kwa kutenganishwa, kuhakikisha kwamba kila seli ndani ya mwili iko karibu na uso wa nje wa utando na ina upatikanaji wa oksijeni. Ikiwa flatworm ilikuwa na mwili wa cylindrical, basi seli zilizo katikati haziwezi kupata oksijeni.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Mchakato huu wa kupumua hufanya kazi kwa kutenganishwa kwenye membrane ya nje. (mikopo: Stephen Childs)

Ngozi na Gills

Vidudu vya udongo na amfibia hutumia ngozi zao (integument) kama chombo cha kupumua. Mtandao mkubwa wa capillaries uongo chini ya ngozi na kuwezesha kubadilishana gesi kati ya mazingira ya nje na mfumo wa mzunguko. Upepo wa kupumua lazima uhifadhiwe unyevu ili gesi zifute na kuenea kwenye membrane za seli.

Viumbe vinavyoishi katika maji vinahitaji kupata oksijeni kutoka kwa maji. Oksijeni hupasuka ndani ya maji lakini kwa mkusanyiko wa chini kuliko angahewa. Anga ina takriban asilimia 21 ya oksijeni. Katika maji, mkusanyiko wa oksijeni ni mdogo sana kuliko hiyo. Samaki na viumbe vingine vingi vya majini vimebadilika gills kuchukua oksijeni iliyovunjwa kutoka kwa maji (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)). Gills ni filaments nyembamba za tishu ambazo zina matawi na zimefungwa. Wakati maji hupita juu ya gills, oksijeni iliyoharibika katika maji huenea haraka katika gills ndani ya damu. Mfumo wa mzunguko unaweza kubeba damu ya oksijeni kwenye sehemu nyingine za mwili. Katika wanyama walio na maji ya kolomiki badala ya damu, oksijeni huenea kwenye nyuso za gill ndani ya maji ya kolomiki. Gills hupatikana katika mollusks, annelids, na crustaceans.

Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Carp hii ya kawaida, kama viumbe vingine vingi vya majini, ina gills ambayo inaruhusu kupata oksijeni kutoka kwa maji. (mikopo: “Guitardude012"/Wikimedia Commons)

Nyuso zilizopigwa za gills hutoa eneo kubwa la uso ili kuhakikisha kwamba samaki hupata oksijeni ya kutosha. Kutenganishwa ni mchakato ambao nyenzo husafiri kutoka mikoa ya mkusanyiko wa juu hadi ukolezi mdogo mpaka usawa ufikiwe. Katika kesi hiyo, damu yenye mkusanyiko mdogo wa molekuli za oksijeni huzunguka kupitia gills. Mkusanyiko wa molekuli za oksijeni katika maji ni kubwa kuliko mkusanyiko wa molekuli za oksijeni katika gills. Matokeo yake, molekuli za oksijeni zinaenea kutoka kwa maji (mkusanyiko mkubwa) hadi damu (mkusanyiko mdogo), kama inavyoonekana kwenye Mchoro\(\PageIndex{4}\). Vile vile, molekuli ya dioksidi kaboni katika damu huenea kutoka damu (mkusanyiko mkubwa) hadi maji (ukolezi mdogo).

Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Kama maji inapita juu ya gills, oksijeni huhamishiwa damu kupitia mishipa. (mikopo “samaki”: mabadiliko ya kazi na Duane Raver, NOAA)

Mifumo ya Tracheal

Kupumua kwa wadudu ni huru na mfumo wake wa mzunguko; kwa hiyo, damu haina jukumu moja kwa moja katika usafiri wa oksijeni. Wadudu wana aina maalumu sana ya mfumo wa kupumua inayoitwa mfumo wa tracheal, ambayo ina mtandao wa zilizopo ndogo ambazo hubeba oksijeni kwa mwili mzima. Mfumo wa tracheal ni mfumo wa kupumua wa moja kwa moja na ufanisi katika wanyama wenye kazi. Vipande katika mfumo wa tracheal hufanywa kwa nyenzo za polymeric inayoitwa chitin.

Miili ya wadudu ina fursa, inayoitwa spiracles, pamoja na thorax na tumbo. Mafunguo haya yanaunganisha kwenye mtandao wa tubular, kuruhusu oksijeni kupita ndani ya mwili (Kielelezo\(\PageIndex{5}\)) na kusimamia usambazaji wa CO ₂ na mvuke wa maji. Air inaingia na kuacha mfumo wa tracheal kupitia spiracles. Vidudu vingine vinaweza kuimarisha mfumo wa tracheal na harakati za mwili.

Kielelezo\(\PageIndex{5}\): Wadudu hufanya kupumua kupitia mfumo wa tracheal.

Mifumo ya Kimamalia

Katika wanyama, uingizaji hewa wa pulmona hutokea kupitia kuvuta pumzi (kupumua). Wakati wa kuvuta pumzi, hewa huingia mwili kupitia cavity ya pua iko ndani ya pua (Kielelezo\(\PageIndex{6}\)). Kama hewa inapita kupitia cavity ya pua, hewa ina joto kwa joto la mwili na humidified. Njia ya kupumua imefunikwa na kamasi ili kuimarisha tishu kutoka kwa kuwasiliana moja kwa moja na hewa. Mucus ni juu ya maji. Kama hewa inapita nyuso hizi za membrane ya mucous, huchukua maji. Michakato hii husaidia kusawazisha hewa kwa hali ya mwili, kupunguza uharibifu wowote ambao baridi, hewa kavu inaweza kusababisha. Chembechembe jambo kwamba ni yaliyo katika hewa ni kuondolewa katika vifungu pua kupitia kamasi na cilia. Michakato ya joto, humidifying, na kuondoa chembe ni njia muhimu za kinga zinazozuia uharibifu wa trachea na mapafu. Hivyo, kuvuta pumzi hutumikia madhumuni kadhaa kwa kuongeza kuleta oksijeni katika mfumo wa kupumua.

Sanaa Connection

Kielelezo\(\PageIndex{6}\): Air inaingia kwenye mfumo wa kupumua kupitia cavity ya pua na pharynx, na kisha hupita kupitia trachea na ndani ya bronchi, ambayo huleta hewa ndani ya mapafu. (mikopo: mabadiliko ya kazi na NCI)

Ni ipi kati ya kauli zifuatazo kuhusu mfumo wa kupumua wa mamalia ni uongo?

1. Tunapopumua, hewa husafiri kutoka pharynx hadi trachea.
2. Tawi la bronchioles katika bronchi.
3. Ducts ya alveolar huunganisha kwenye sacs za alveolar.
4. Kubadilishana gesi kati ya mapafu na damu hufanyika katika alveolus.

Kutoka kwenye cavity ya pua, hewa hupita kupitia koo (koo) na larynx (sanduku la sauti), kwa kuwa inafanya njia yake kwenye trachea (Kielelezo\(\PageIndex{6}\)). Kazi kuu ya trachea ni kufuta hewa inhaled kwa mapafu na hewa exhaled nje ya mwili. Trachea ya binadamu ni silinda urefu wa sentimita 10 hadi 12 na 2 cm kipenyo ambacho kinakaa mbele ya mkojo na huenea kutoka kwenye larynx ndani ya cavity ya kifua ambako hugawanyika katika bronchi mbili za msingi kwenye midthorax. Inafanywa kwa pete zisizo kamili za cartilage ya hyaline na misuli ya laini (Kielelezo\(\PageIndex{7}\)). Trachea imefungwa na seli za goblet zinazozalisha kamasi na epithelia ciliated. Cilia propel chembe za kigeni trapped katika kamasi kuelekea pharynx. Cartilage hutoa nguvu na msaada kwa trachea ili kuweka kifungu hicho wazi. Misuli ya laini inaweza mkataba, kupungua kwa kipenyo cha trachea, ambayo husababisha hewa ya muda mrefu kukimbilia juu kutoka kwenye mapafu kwa nguvu kubwa. Utoaji wa kulazimishwa husaidia kufukuza kamasi wakati tunapohofia. Misuli ya smooth inaweza mkataba au kupumzika, kulingana na msukumo kutoka kwa mazingira ya nje au mfumo wa neva wa mwili.

Kielelezo\(\PageIndex{7}\): Trachea na bronchi hufanywa kwa pete zisizo kamili za cartilage. (mikopo: mabadiliko ya kazi na Anatomy ya Gray)

Mapafu: Bronchi na Alveoli

Mwisho wa trachea bifurcates (hugawanya) kwenye mapafu ya kulia na ya kushoto. Mapafu hayakufanana. Mapafu ya haki ni kubwa na ina lobes tatu, wakati mapafu ndogo ya kushoto ina lobes mbili (Kielelezo\(\PageIndex{8}\)). Kipigo cha misuli, kinachowezesha kupumua, ni duni kwa (chini) mapafu na alama ya mwisho wa cavity ya thoracic.

Kielelezo\(\PageIndex{8}\): Trachea huingia ndani ya bronchi ya kulia na ya kushoto katika mapafu. Mapafu ya haki yanafanywa kwa lobes tatu na ni kubwa. Ili kuzingatia moyo, mapafu ya kushoto ni ndogo na ina lobes mbili tu.

Katika mapafu, hewa hupunguzwa katika vifungu vidogo na vidogo, au bronchi. Air huingia kwenye mapafu kupitia bronchi mbili za msingi (kuu) (umoja: bronchus). Kila bronchus hugawanyika katika bronchi ya sekondari, kisha kwenye bronchi ya juu, ambayo hugawanyika, na kuunda bronchioles ndogo na ndogo ya kipenyo kama hugawanyika na kuenea kupitia mapafu. Kama trachea, bronchi hufanywa kwa cartilage na misuli ya laini. Katika bronchioles, cartilage inabadilishwa na nyuzi za elastic. Bronchi innervated mishipa ya wote parasympathetic na ushirikano mifumo ya neva ambayo kudhibiti contraction misuli (parasympathetic) au utulivu (ushirikano) katika bronchi na bronchioles, kulingana na cues ya mfumo wa neva. Kwa binadamu, bronchioles yenye kipenyo kidogo kuliko 0.5 mm ni bronchioles ya kupumua. Wanakosa cartilage na hivyo wanategemea hewa iliyovutwa ili kuunga mkono sura yao. Kama njia zinapungua kwa kipenyo, kiasi cha jamaa cha misuli ya laini huongezeka.

Bronchioles ya terminal hugawanyika katika matawi ya microscopic inayoitwa br Bronchioles ya kupumua hugawanyika katika ducts kadhaa za alveolar. Vipande vingi vya alveoli na alveolar huzunguka ducts za alveolar. Mifuko ya alveolar inafanana na makundi ya zabibu yaliyofungwa hadi mwisho wa bronchioles (Kielelezo\(\PageIndex{9}\)). Katika mkoa wa acinar, ducts ya alveolar inaunganishwa mwisho wa kila bronchiole. Mwishoni mwa kila duct ni takriban mifuko 100 ya alveolar, kila iliyo na alveoli 20 hadi 30 ambayo ni microns 200 hadi 300 kwa kipenyo. Kubadilishana gesi hutokea tu katika alveoli. Alveoli ni alifanya ya seli thin-walled parenchymal, kawaida moja ya seli nene, kwamba kuangalia kama Bubbles vidogo ndani ya mifuko. Alveoli huwasiliana moja kwa moja na capillaries (nene moja ya seli) ya mfumo wa mzunguko. Mawasiliano ya karibu sana huhakikisha kwamba oksijeni itaenea kutoka kwa alveoli ndani ya damu na kusambazwa kwa seli za mwili. Aidha, dioksidi kaboni iliyozalishwa na seli kama bidhaa taka itaenea kutoka damu hadi alveoli ili kutolewa nje. Mpangilio wa anatomical wa capillaries na alveoli inasisitiza uhusiano wa kimuundo na utendaji wa mifumo ya kupumua na mzunguko. Kwa sababu kuna alveoli nyingi (~ milioni 300 kwa kila mapafu) ndani ya kila kifuko cha alveolar na mifuko mingi mwishoni mwa kila duct ya alveolar, mapafu yana msimamo kama sifongo. Shirika hili linazalisha eneo kubwa sana la uso ambalo linapatikana kwa kubadilishana gesi. Eneo la uso wa alveoli katika mapafu ni takriban 75 m ². Eneo hili kubwa la uso, pamoja na asili nyembamba-walled ya seli za alveolar parenchymal, inaruhusu gesi kuenea kwa urahisi katika seli.

Kielelezo\(\PageIndex{9}\): Bronchioles ya terminal huunganishwa na bronchioles ya kupumua kwa ducts ya alveolar na sac za alveolar Kila sac ya alveolar ina alveoli ya 20 hadi 30 ya spherical na inaonekana ya kundi la zabibu. Air inapita ndani ya atrium ya sac ya alveolar, kisha huzunguka ndani ya alveoli ambapo kubadilishana gesi hutokea na capillaries. Vidonda vya mucous hutoa mucous ndani ya hewa, kuwaweka unyevu na kubadilika. (mikopo: mabadiliko ya kazi na Mariana Ruiz Villareal)

Unganisha na Kujifunza

Tazama video ifuatayo ili upitie mfumo wa kupumua.

Utaratibu wa Kinga

Hewa ambayo viumbe hupumua ina chembechembe kama vile vumbi, uchafu, chembe za virusi, na bakteria ambazo zinaweza kuharibu mapafu au kusababisha majibu ya kinga ya mzio. Mfumo wa kupumua una taratibu kadhaa za kinga ili kuepuka matatizo au uharibifu wa tishu. Katika cavity ya pua, nywele na kamasi mtego chembe ndogo, virusi, bakteria, vumbi, na uchafu ili kuzuia kuingia kwao.

Ikiwa chembe hufanya hivyo zaidi ya pua, au kuingia kupitia kinywa, bronchi na bronchioles ya mapafu pia yana vifaa kadhaa vya kinga. Mapafu huzalisha kamasi -dutu yenye utata iliyotengenezwa kwa mucin, glycoprotein tata, pamoja na chumvi na maji-ambayo mitego huchembea. Bronchi na bronchioles zina cilia, makadirio madogo ya nywele ambayo huweka kuta za bronchi na bronchioles (Kielelezo\(\PageIndex{10}\)). Cilia hizi hupiga kwa pamoja na kuhamisha kamasi na chembe nje ya bronchi na bronchioles nyuma hadi koo ambako imemeza na kuondolewa kupitia mkojo.

Kwa binadamu, kwa mfano, tar na vitu vingine katika moshi wa sigara huharibu au kupooza cilia, na kufanya kuondolewa kwa chembe kuwa ngumu zaidi. Aidha, sigara husababisha mapafu kuzalisha kamasi zaidi, ambayo cilia iliyoharibiwa haiwezi kuhamia. Hii inasababisha kikohozi kinachoendelea, kama mapafu yanajaribu kujiondoa suala la chembechembe, na hufanya wavuta sigara zaidi wanaathirika na magonjwa ya kupumua.

Kielelezo\(\PageIndex{10}\): Bronchi na bronchioles zina cilia ambayo husaidia kusonga kamasi na chembe nyingine nje ya mapafu. (mikopo: Louisa Howard, muundo wa kazi na Dartmouth Electron Microscope Kituo)

Muhtasari

Mifumo ya kupumua kwa wanyama imeundwa ili kuwezesha kubadilishana gesi. Katika wanyama wa wanyama, hewa hupunguzwa na humidified katika cavity ya pua. Air kisha husafiri chini ya pharynx, kupitia trachea, na ndani ya mapafu. Katika mapafu, hewa hupita kupitia bronchi ya matawi, kufikia bronchioles ya kupumua, ambayo huwa na tovuti ya kwanza ya kubadilishana gesi. Bronchioles ya kupumua hufungua ndani ya ducts ya alveolar, sac ya alveolar, na alveoli. Kwa sababu kuna sac nyingi za alveoli na alveolar katika mapafu, eneo la uso wa kubadilishana gesi ni kubwa sana. Njia kadhaa za kinga zipo ili kuzuia uharibifu au maambukizi. Hizi ni pamoja na nywele na kamasi katika cavity ya pua ambayo mtego vumbi, uchafu, na jambo lingine la chembe kabla ya kuingia kwenye mfumo. Katika mapafu, chembe zinakabiliwa na safu ya kamasi na kusafirishwa kupitia cilia hadi ufunguzi wa kutosha juu ya trachea ili kumeza.

Sanaa Connections

Kielelezo\(\PageIndex{6}\): Ni ipi kati ya taarifa zifuatazo kuhusu mfumo wa kupumua wa mamalia ni uongo?

1. Tunapopumua, hewa husafiri kutoka pharynx hadi trachea.
2. Tawi la bronchioles katika bronchi.
3. Ducts ya alveolar huunganisha kwenye sacs za alveolar.
4. Kubadilishana gesi kati ya mapafu na damu hufanyika katika alveolus.

Jibu

B

faharasa

duct ya alveolar

duct ambayo inatoka kwenye bronchiole ya terminal hadi kwenye sac ya alveolar

kifuko cha alveolar

muundo yenye alveoli mbili au zaidi kuwa sehemu ya ufunguzi wa kawaida

alveolus

(wingi: alveoli) (pia, hewa sac) terminal mkoa wa mapafu ambapo kubadilishana gesi hutokea

bronchus

(wingi: bronchi) tawi ndogo la tishu za cartilaginous ambazo zinatokana na trachea; hewa hupigwa kupitia bronchi hadi kanda ambapo kubadilishana gesi hutokea katika alveoli

bronchiole

airway ambayo inatokana na bronchi kuu ya juu hadi sac ya alveolar

kiwambo

misuli ya mifupa yenye umbo la mviringo iko chini ya mapafu ambayo hutenganisha cavity ya thoracic kutoka cavity ya tumbo

zoloto

sanduku la sauti, njia fupi inayounganisha pharynx na trachea

mucin

glycoprotein tata iliyopatikana katika kamasi

kamasi

nata protini zenye maji secretion katika mapafu kwamba mitego chembe jambo kufukuzwa kutoka mwili

cavity ya pua

ufunguzi wa mfumo wa kupumua kwa mazingira ya nje

chembechembe

chembe ndogo kama vile vumbi, uchafu, chembe za virusi, na bakteria zilizo katika hewa

koromeo

koo; tube inayoanza ndani ya nares ya ndani na inaendesha sehemu ya chini ya shingo, ambako inafungua ndani ya mkojo na larynx

bronchus ya msingi

(pia, kuu bronchus) mkoa wa barabara ya hewa ndani ya mapafu ambayo inahusisha na trachea na hupiga kwa kila mapafu ambapo matawi katika bronchi ya sekondari

bronchiole ya kupumua

sehemu ya mwisho ya mti wa bronchiole ambayo inaunganishwa na bronchioles ya terminal na ducts ya alveoli, sac ya alveolar, na alveoli

terminal bronchiole

kanda ya bronchiole ambayo inahusisha bronchioles ya kupumua

koo

cartilaginous tube kwamba husafirisha hewa kutoka larynx kwa bronchi msingi