กลไลในการแลกเปลี่ยนแก๊สในร่างกายมนุษย์

 ครูไวยุ์

   ปอดเป็นอวัยวะที่ทำหน้าที่ในการหายใจ ปอดตั้งอยู่ภายในทรวงอกมีปริมาตรประมาณ 2 ใน 3 ของทรวงอก ปอดขวาจะสั้นกว่าปอดซ้าย เนื่องจากตับซึ่งอยู่ทางด้านล่างดันขึ้นมา ส่วนปอดซ้ายจะแคบกว่าปอดขวาเพราะว่ามีหัวใจแทรกอยู่ ปอดมีเยื่อหุ้มปอด (pleura) 2 ชั้น ชั้นนอกติดกับผนังช่องอก ส่วนชั้นในติดกับผนังของปอด ระหว่างเยื่อทั้งสองชั้นมีของเหลวเคลือบอยู่ การหุบและการขยายของปอดจะเป็นตัวกำหนดปริมาณของอากาศที่เข้าสู่ร่างกาย ซึ่งจะทำให้ร่างกายได้รับออกซิเจนถ่ายเทคาร์บอนไดออกไซด์ออกตามที่ร่างกายต้องการ

     การหายใจเข้า (inspiration) และการใจออก (expiration) รวมเรียกว่า การหายใจ (breathing) โดยมีกล้ามเนื้อกะบังลม กล้ามเนื้อยึดกระดูกซี่โครงซี่โครงด้านนอก และกล้ามเนื้อยึดกระดูกซี่โครงด้านในเป็นตัวกระทำการหายใจที่เกิดจากกล้ามเนื้อกระบังลมเรียกว่า การหายใจส่วนท้อง (abdominal breathing) ซึ่งมีความสำคัญประมาณ 75% และการหายใจซึ่งเกิดจากกระดูกซี่โครงและกล้ามเนื้อยึดซี่โครงด้านนอก เรียกว่า การหายใจส่วนอก (chest breathing) ซึ่งมีความสำคัญประมาณ 25% การหายใจส่วนท้องและการหายใจส่วนอกนี้จะทำงานร่วมกันทำให้เกิดการหายใจเข้าและหายใจออกอย่างสม่ำเสมอ

    เมื่อกล้ามเนื้อกระบังลมและกล้ามเนื้อยึดซี่โครงด้านนอกหดตัว จะทำให้ทรวงอกและปอดขยายตัวขึ้นปริมาตรภายในปอดเพิ่มขึ้น ดังนั้นความดันภายในปอดจึงลดลงและต่ำกว่าบรรยากาศภายนอก อากาศภายนอกจึงเคลื่อนตัวเข้าสู่ปอด จนทำให้ความดันภายนอกและภายในปอดเท่ากันแล้วอากาศก็จะไม่เข้าสู่ปอดอีก เรียกว่า การหายใจเข้า (inspiration) เมื่อกล้ามเนื้อกระบังลมและกล้ามเนื้อยึดซี่โครงด้านนอกคลายตัวลง ทำให้ปอดและทรวงอกมีขนาดเล็กลง ปริมาตรของอากาศในปอดจึงลดไปด้วย ทำให้ความดันภายในปอดสูงกว่าบรรยากาศภายนอก อากาศจึงเคลื่อนที่ออกจากปอดจนความดันในปอดลดลงเท่ากับความดันภายนอก อากาศก็จะหยุดการเคลื่อนที่ซึ่งเรียกว่า การหายใจออก (expiration) การหายใจเข้าและการหายใจออกนี้จะเกิดสลับกันอยู่เสมอในสภาพปกติผู้ใหญ่จะหายใจประมาณ 15 ครั้งต่อนาที ส่วนในเด็กจะมีอัตราการหายใจสูงกว่าผู้ใหญ่เล็กน้อย ในขณะที่ร่างกายเหนื่อยเนื่องจากทำงานหรือเล่นกีฬาอย่างหนักอัตราการหายใจจะสูงกว่านี้มาก

ภาพ 1 กลไกการหายใจเข้าและออก

(http://colinschouryoga.com/pranayama-breath-control/)

วีดิโอ 1 กลไกการหายใจเข้าและออก

ความจุของปอด

ปริมาตรอากาศที่หายใจเข้าปกติ แต่ละครั้งมีประมาณ 500 ลูกบาศก์เซนติเมตร ถ้าบังคับให้มีการหายใจเข้าเต็มที่มากที่สุด จะมีอากาศเข้าไปยังปอดเพิ่มมากขึ้นจนอาจถึง 6,000 ลูกบาศก์เซนติเมตร ซึ่งเป็นระดับที่ปอดจะจุอากาศได้เต็มที่เช่นเดียวกับการบังคับการหายใจออกเต็มที่ อากาศจะออกจากปอดมากที่สุดเท่าที่ความสามารถของกล้ามเนื้อกะบังลมและกล้ามเนื้อซี่โครงจะทำได้ ซึ่งจะเห็นว่าเมื่อหายใจออกเต็มที่แล้วยังคงมีอากาศตกค้างในปอด ประมาณ 1,100 ลูกบาศก์เซนติเมตร 

ภาพ 2 เครื่อง spirometer วัดความจุของปอด

(https://accesshealth.com.au/triflow-incentive-breathing-spirometer)

ภาพ 3 ความจุของปอด

(http://medical-dictionary.thefreedictionary.com/spirometry)

การแลกเปลี่ยนแก๊สในร่างกาย
     การแลกเปลี่ยนแก๊สในร่างกายของคนเกิดขึ้น 2 แห่งคือที่ปอดและที่เนื้อเยื่อ

    1. ที่ปอดเป็นการแลกเปลี่ยนแก๊สระหว่างในถุงลมปอดกับเส้นเลือดฝอย โดยออกซิเจนจากถุงลมปอดจะแพร่เข้าสู่เส้นเลือดฝอยรอบ ๆ ถุงลมปอดและรวมตัวกับฮีโมโกลบิน (haemoglobin; Hb) ที่ผิวของเม็ดเลือดแดงกลายเป็นออกซีฮีโมโกลบิล (oxyhemoglobin; HbO2) ซึ่งมีสีแดงสด เลือดที่มีออกซีฮีโมโกลบินนี้จะถูกส่งเข้าสู่หัวใจและสูบฉีดไปยังเนื้อเยื่อต่าง ๆ ทั่วร่างกาย

   2. ที่เนื้อเยื่อออกซีฮีโมโกลบินจะสลายให้ออกซิเจนและฮีโมโกลบิน ออกซิเจนจะแพร่เข้าสู่เซลล์ทาให้เซลล์ของเนื้อเยื่อได้รับออกซิเจน 

     ในขณะที่เนื้อเยื่อรับออกซิเจนนั้น คาร์บอนไดออกไซด์ที่เกิดขึ้นในเซลล์ก็จะแพร่เข้าเส้นเลือดคาร์บอนไดออกไซด์ส่วนใหญ่จะทำปฏิกิริยากับน้ำในเซลล์เม็ดเลือดแดงเกิดเป็นกรดคาร์บอนิก (H2CO3) ซึ่งแตกตัวต่อไปได้ไฮโดรเจนคาร์บอเนตไอออน (HCO3-) และไฮโดรเจนไอออน (H+) เมื่อเลือดที่มีไฮโดรเจนคาร์บอเนตไอออนมากไหลเข้าสู่หัวใจจะถูกสูบฉีดต่อไปยังเส้นเลือดฝอยรอบ ๆ ถุงลมปอด ไฮโดรเจนคาร์บอเนตไอออนและไฮโดรเจนไอออนจะรวมตัวกันเป็นกรดคาร์บอนิกแล้วจึงสลายตัวเป็นคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำในเซลล์เม็ดเลือดแดง เป็นผลให้ความหนาแน่นของคาร์บอนไดออกไซด์ในเส้นเลือดฝอยสูงกว่าคาร์บอนไดออกไซด์ในถุงลมปอด จึงเกิดการแพร่ของคาร์บอนไดออกไซด์จากเส้นเลือดฝอย เข้าสู่ถุงลมปอด

ภาพ 4 การแลกเปลี่ยนแก๊สออกซิเจน

(https://youtu.be/sU_8juD3YzQ)

ภาพ 5 การแลกเปลี่ยนแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์

(https://www.youtube.com/watch?v=AJpur6XUiq4)

วีดิโอ 2 Gaseous exchange

วีดิโอ 3 Exchange of gases in the lungs

ศูนย์ควบคุมการสูดลมหายใจ

     ศูนย์ควบคุมการหายใจ (the respiratory centers) อยู่ที่สมองส่วนเมดัลดาออบลองกาตา(medulla oblongata) โดยเป็นเซลล์ประสาทกระจายอยู่ทางด้านข้างทั้งสองข้าง ศูนย์นี้จะมีความไวต่อ ปริมาณของแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์หรือไฮโดรเจนคาร์บอเนตไอออน และไฮโดรเจนไอออน ซึ่งสารต่างๆ เหล่านี้จะกระตุ้นทาให้เกิดการหายใจเข้าเพิ่มมากขึ้น ดังนั้นถ้าหากมีแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ในเลือดเพิ่มขึ้น ก็จะทาให้เกิดการการกระตุ้นเพิ่มขึ้นด้วย

วีดิโอ 4  The Respiratory Center

ภาพ 6 ศูนย์ควบคุมการหายใจ

(http://www.sci.nu.ac.th/)

โครงสร้างในการแลกเปลี่ยนแก๊สในคน

ครูไวยุ์

    อวัยวะสำหรับการหายใจ (Respiratory organ) ของสิ่งมีชีวิตโดยทั่วไปอาจสรุปในเบื้องต้นได้ว่า สัตว์ที่ดำรงชีวิตอยู่บนบกจะใช้หลอดลม (trachea) ใช้ปอด (lung) พวกที่ใช้หลอดลมจะเป็นพวกแมลงต่างๆ เป็นส่วนมาก พวกที่ใช้ปอดจะเป็นสัตว์เลื้อยคลาน นก สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม

ภาพ 1 อวัยวะในระบบแลกเปลี่ยนแก๊ส

(http://simple.wikipedia.org/wiki/Respiratory_system)

   รูจมูก (nostril, naris) คือ รูที่เป็นทางผ่านเข้าออกของอากาศเข้าสู่โพรงจมูก จากนั้นอากาศจะถูกส่งผ่านเข้าไปยังหลอดลมและเข้าสู่ปอดเพื่อทำการแลกเปลี่ยนแก๊ส นอกจากอากาศแล้ว รูจมูกยังเป็นทางออกของน้ำมูกหรือเศษอาหารที่เกิดจากการสำลักอีกด้วย สำหรับมนุษย์ รูจมูกที่มองเห็นจากภายนอกหรืออยู่บริเวณด้านนอกของจมูกนั้น เรียกว่า รูจมูกด้านหน้า (anterior nares) ซึ่งรูจมูกทั้งสองรูถูกแบ่งออกจากกันโดยผนังกั้นโพรงจมูก (nasal septum) ส่วนรูจมูกภายในหรือรูจมูกด้านหลังจะอยู่ด้านในศีรษะ เรียกว่า choanae

ภาพ 2 จมูกและโพรงจมูก

(http://www2.bc.cc.ca.us/bio16/22_Respinfections.htm)

    ผนังกั้นโพรงจมูก หรือ ผนังกั้นจมูก (nasal septum) คือส่วนที่แบ่งรูจมูกด้านหน้าซึ่งเป็นทางผ่านของอากาศไปยังปอดออกเป็นรูจมูกข้างซ้ายและรูจมูกข้างขวา ผนังกั้นโพรงจมูกประกอบด้วยกระดูกหลายชิ้น นอกจากนี้ยังมีหลอดเลือดมาเลี้ยง ซึ่งเป็นสาเหตุหลักของเลือดกำเดาไหลอีกด้วย

ภาพ 3 ผนังกั้นโพรงจมูก

(http://www.drpaulose.com/surgery/nasal-septal-deviation-how-to-correct-it)

   คอหอย (Pharynx) : อยู่ต่อจากส่วนท้ายของ nasal cavities เป็นทางรวมก่อนที่จะแยกเป็นทางเดินอาหาร และทางเดินหายใจ สิ่งที่เปิดเข้าสู่บริเวณ pharynx ได้แก่ posterior nares 1 คู่, Eustachian tube 1 คู่, ช่องปาก, glottis และ esophagus ทางออกจากหลอดคอเข้าสู่ทางเดินหายใจ คือ glottis และมีส่วนต่อด้วย larynx เป็นอวัยวะที่สร้างเสียง เกิดจากการควบคุมทางเดินอากาศ ซึ่งอากาศที่ผ่านเข้าจะทำให้มีการสั่นของเส้นเสียงใน larynx สำหรับในนกจะมี syrinx เป็นอวัยวะสร้างเสียง โดย syrinx จะอยู่ในตำแหน่งที่ trachea แยกออกเป็น bronchi

ภาพ 4 คอหอย (Pharynx)

(http://www.as.miami.edu/chemistry/)

    หลอดลม (trachea) : เป็นส่วนที่ต่ออกมาจากหลอดเสียง ยาวลงไปในทรวงอก ลักษณะรูปร่างของหลอดลมเป็นหลอดกลมๆ ประกอบด้วยกระดูกอ่อนรูปวงแหวน หรือรูปตัว U ซึ่งมีอยู่ 20 ชิ้น วางอยู่ทางด้านหลังของหลอดลม ช่องว่าง ระหว่างกระดูกอ่อนรูปตัว U ที่วางเรียงต่อกันมีเนื้อเยื่อและกล้ามเนื้อเรียบมายึดติดกัน การที่หลอดลมมีกระดูกอ่อนจึงทำให้เปิดอยู่ตลอดเวลา ไม่มีโอกาสที่จะแฟบเข้าหากันได้โดยแรงดันจากภายนอก จึงรับประกันได้ว่าอากาศเข้าได้ตลอดเวลา หลอดลม ส่วนที่ตรงกับกระดูกสันหลังช่วงอกแตกแขนงออกเป็นหลอดลมแขนงใหญ่ (Bronchi) ข้างซ้ายและขวา เมื่อเข้าสู่ปอดก็แตกแขนงเป็นหลอดลมเล็กในปอดหรือที่เรียกว่า หลอดลมฝอย (Bronchiole) และไปสุดที่ถุงลม (Aveolus) ซึ่งเป็นการที่อากาศอยู่ ใกล้กับเลือดในปอดมากที่สุด จึงเป็นบริเวณแลกเปลี่ยนก๊าซออกซิเจน กับคาร์บอนไดออกไซด์

ภาพ 5 หลอดลม (trachea)

(http://www.newhealthguide.org/Trachea-Function.html)

   หลอดลมเล็กหรือขั้วปอด ( bronchus) : เป็นส่วนที่แตกแขนงแยกจากหลอดลม แบ่งออกเป็น 2 กิ่งคือซ้ายหรือขวา โดยกิ่งซ้ายจะเข้าสู่ปอดซ้าย และกิ่งขวาแยกเข้าปอดขวาพร้อม ๆ กับเส้นเลือดและเส้นประสาท

   หลอดลมฝอย (bronchiole) : แบ่งออกเป็น 2 ส่วนคือ

     1. หลอดลมฝอยเทอร์มินอล (terminal bronchiole) เป็นท่อที่แยกออกจากหลอดลมแขนงมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.5-1 มิลลิเมตร พบกล้ามเนื้อเรียบและเยื่ออิลาสติกไฟเบอร์ (elastic fiber)เป็นองค์ประกอบของผนังหลอดลมฝอยเทอร์มินอล แต่ไม่พบโครงสร้างที่เป็นกระดูกอ่อน

    2. หลอดลมฝอยแลกเปลี่ยนแก๊ส (respiratory bronchiole) เป็นส่วนแรกที่มีการแลกเปลี่ยนแก๊ส เนื่องจากมีถุงลมย่อยมาเปิดเข้าที่ผนัง ซึ่งจะพบในส่วนที่อยู่ท้าย ๆ ซึ่งจะมีมากกว่าส่วนที่อยู่ติดกับหลอดลมฝอยเทอร์มินอล  

   ท่อลม (alveolar duct) : เป็นท่อส่วนสุดท้ายของส่วนที่มีการแลกเปลี่ยนแก๊ส (respiratory division) ซึ่งจะไปสิ้นสุดที่ถุงลม (alveolar sac) 

ภาพ 6 หลอดลมเล็กหรือขั้วปอด( bronchus)

(http://www.mwit.ac.th/)

   เยื่อหุ้มปอด (pleura) : เป็นเยื่อที่บางและละเอียดอ่อน เปียกชื้น และเป็นมันลื่น หุ้มผิวภายนอกของปอด เยื่อหุ้มนี้ ไม่เพียงคลุมปอดเท่านั้น ยังไปบุผิวหนังด้านในของทรวงอกอีก หรือกล่าวได้อีกอย่างหนึ่งว่า เยื่อหุ้มปอดซึ่งมี 2 ชั้น ระหว่าง 2 ชั้นนี้มี ของเหลวอยู่นิดหน่อย เพื่อลดแรงเสียดสี ระหว่างเยื่อหุ้มมีโพรงว่าง เรียกว่าช่องระหว่างเยื่อหุ้มปอด

ภาพ 7 เยื่อหุ้มปอด (pleura)

(http://www.beliefnet.com/healthandhealing/getcontent.aspx?cid=96788)

   ถุงลมและถุงลมย่อย (alveolus หรือ alveolar sac และ pulmonary alveoli) : ถุงลมเป็นช่องว่างที่มีถุงลมย่อยหลาย ๆ ถุงมาเปิดเข้าที่ช่องว่างอันนี้ ส่วนถุงลมย่อยมีลักษณะเป็นถุงหกเหลี่ยมมีเซลล์พิเศษหลั่งสารพวกฟอสโฟลิพิด (phospholipid) เรียกว่า เซอร์แฟกแทนท์ (surfactant) เข้าสู่ถุงลมย่อยเพื่อลดแรงตึงผิวของถุงลมย่อยไม่ให้ติดกัน เมื่อปอดแฟบเวลาหายใจออกผนังของถุงลมย่อยที่อยู่ติดกันจะรวมกันเป็นอินเตอร์อัลวีโอลาร์เซปทัม (interalveolar septum) ซึ่งมีเส้นเลือดฝอยอยู่ภายใน นอกจากนี้ยังมีรูซึ่งเป็นช่องติตต่อระหว่างถุงลมย่อยทำให้อากาศภายในถุงลมย่อยมีแรงดันเท่ากันทั้งปอด ทั้งถุงลมและถุงลมย่อยจะรวมเรียกว่า ถุงลมปอด ปอดแต่ละข้างจะมีถุงลมปอดประมาณ 300 ล้านถุง แต่ละถุงจะมีเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ยประมาณ 0.25 เซนติเมตร คิดเป็นพื้นที่ทั้งหมดของการแลกเปลี่ยนแก๊สของถุงลมปอดทั้งสองข้างประมาณ 90 ตารางเมตรหรือคิดเป็น 40 เท่าของพื้นที่ผิวของร่างกาย การที่ปอดยืดหยุ่นได้ดีและขยายตัวได้มากและการมีพื้นที่ของถุงลมปอดมากมายขนาดนั้นจะทำให้ร่างกายได้รับแก๊สออกซิเจนอย่างเพียงพอและคายแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ ได้เป็นอย่างดีอีกด้วยปอดของคนมีเส้นเลือดฝอยมาเลี้ยงอย่างมากมายจึงทำให้เกิดการแลกเปลี่ยนแก๊สได้มากและรวดเร็วจนเป็นที่เพียงพอแก่ความต้องการของร่างกาย

ภาพ 8  ถุงลมและถุงลมย่อย (alveolus หรือ alveolar sac และ pulmonary alveoli)

(http://www.beliefnet.com/healthandhealing/getcontent.aspx?cid=96788)

อวัยวะแลกเปลี่ยนแก๊สและการแลกเปลี่ยนแก๊สในสัตว์บางชนิด

ครูไวยุ์


Respiration or gas exchange  (การหายใจ) : การแลกเปลี่ยนแก๊สกับสิ่งแวดล้อม โดยการนำ O2 เข้าสู่ร่างกายและนำ CO2 ออกนอกร่างกาย
Cellular respiration (การหายใจระดับเซลล์) : กระบวนการสร้างพลังงานในรูปของ ATP จากกลูโคสหรือสารอาหารอื่น

Figure 1 The respiratory surfae
(http://faculty.uca.edu/johnc/animal_structure_and_function.htm)

อวัยวะแลกเปลี่ยนแก๊ส (respiratory organ)

   - ลักษณะของบริเวณแลกเปลี่ยนแก๊ส (respiratory surface)

        1. มีผนังที่บางและมีเนื้อที่มาก  

        2. มีความชื้นอยู่ตลอดเวลา

จำแนกอวัยวะแลกเปลี่ยนแก๊สเป็น 4 ชนิด คือ

Figure 2  Gas exchange variations

(http://www.biologymad.com/GasExchange/GasExchange.htm)

1. เยื่อเซลล์ (wet body surface of small organism) 

  อะมีบาและพารามีเซียมเป็นโพรติสต์ที่อาศัยอยู่ในน้ำจะใช้เยื่อหุ้มเซลล์ในการแลกเปลี่ยนแก๊ส โดยการแพร่ (diffusion) ของแก๊สโดยตรง ส่วนในสัตว์หลายเซลล์ที่อาศัยอยู่ในน้ำ เช่น ฟองน้ำ ไฮดรา และพลานาเรียนั้น จะจัดให้ผิวด้านนอกหรือเซลล์ทุกเซลล์ในร่างกายสัมผัสกับน้ำ ทำให้ออกซิเจนเคลื่อนเข้าไปโดยการแพร่จากเซลล์หนึ่งไปยังอีกเซลล์หนึ่ง และต่อเนื่องกันไปตามลำดับจนถึงเซลล์ที่อยู่ด้านในสุด โดยเฉพาะพลานาเรียนั้นมีการปรับโครงสร้างให้ลำตัวแบน เพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวในการแลกเปลี่ยนแก๊ส และเนื้อเยื่อชั้นกลางมีเซลล์ที่เกาะกันอย่างหลวม ๆ เพื่อให้เกิดการแพร่เข้าสู่เนื้อเยื่อชั้นในได้เร็วขึ้น

ดังนั้น respiratory surface จะบางและกว้าง

Figure 3 respiratory surface

(http://www.studyblue.com/notes/note/n/chapter-27-diversity-of-eukaryotes/deck/1403112)

Figure 4 body surface

     สำหรับไส้เดือนดินเป็นสิ่งมีชีวิตที่อาศัยอยู่บนบก มีลำตัวกลม พื้นที่ผิวบางส่วนสัมผัสกับดิน ทำให้ พื้นที่ผิวในการแลกเปลี่ยนแก๊สน้อยลง ดังนั้น จึงต้องมีการปรับโครงสร้างเพื่อให้ทุกเซลล์ได้รับแก๊สอย่างทั่วถึง โดยจะใช้ผิวหนังที่บางและมีการขับสารเมือกออกมาเพื่อให้ผิวหนังชุ่มชื้นช่วยในการแลกเปลี่ยนแก๊ส และใช้ ระบบไหลเวียนเลือดช่วยในการลำเลียงแก๊สไปยังทั่วทุกเซลล์

Figure 5 Outer skin as a respiratory organ

2. เหงือก (gill) : Respiratory medium เป็นน้ำ

   ข้อดี : ทำให้ไม่ต้องระวังเกี่ยวกับการรักษาความชื้นให้ respiratory surface

   ข้อเสีย : ปริมาณ O2 ในน้ำต่ำกว่าในอากาศ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาวะที่น้ำเค็มและอุ่น

   ดังนั้นเหงือกจึงต้องมีวิธีการดึงเอา O2 ออกมาจากน้ำให้ได้มากที่สุด เช่นให้น้ำผ่านเหงือกตลอดเวลา จัดเรียงเส้นเลือดฝอยให้เลือดไหลสวนทางกับกระแสน้ำ

Figure 6 Out of the body surface

(http://faculty.uca.edu/johnc/animal_structure_and_function.htm)

   เหงือกปลา (fish gill)

    - น้ำไหลผ่านเหงือกโดย ผ่านเข้าทางปาก ช่องในคอหอย เหงือก และออกนอกตัวปลา 

    - เนื่องจากน้ำมีปริมาณ O₂ ต่ำ เพื่อให้สามารถดึงเอา O₂ ออกมาจากน้ำได้มาก

    - เหงือกจึงมีการจัดเรียงเส้นเลือดฝอยให้มีทิศทางการไหลของเลือดสวนทางกับกระแสน้ำ เรียก countercurrent exchange

Figure 7 Structure of fish gill
(http://www.quia.com/jg/1366108list.html)

Figure 8 Structure of fish gills.
(http://faculty.uca.edu/johnc/animal_structure_and_function.htm)

การแลกเปลี่ยนแก๊สในสัตว์บก : Respiratory medium เป็นอากาศ

ข้อดี :

1. อากาศมีปริมาณ O2 สูงกว่าในน้ำ (อากาศ = 21% น้ำ = 0.004%)

2. การแพร่ของ O2 และ CO2 ในอากาศเกิดได้เร็วกว่าในน้ำ และใช้

พลังงานน้อยกว่า

ข้อเสีย :

    1. เนื่องจาก respiratory surface ที่มีเนื้อที่มากและชื้น จึงมักจะสูญ

เสียน้ำโดยการระเหยได้ง่าย

    ดังนั้นสัตว์บกจึงต้องพัฒนาให้ respiratory surface มีการพับไปมาอยู่ภายในร่างกายและเปิดออกสู่บรรยากาศภายนอกทางท่อเล็ก ๆ เท่านั้น

3. ท่อลม (tracheae) มีการแตกแขนงเป็นท่อเล็ก ๆ เรียก tracheoles ไปสัมผัสกับเซลล์กล้ามเนื้อโดยตรง

   ระบบท่อลมประกอบด้วย รูเปิด (spiracle) ที่บริเวณส่วนอกและส่วนท้อง ท่อลม (trachea) ของแมลงจะแทรก กระจายเข้าสู่ทุกส่วนของร่างกายทำหน้าที่แลกเปลี่ยนแก๊ส ในขณะหายใจลาตัวของแมลงจะมีการ เคลื่อนไหวและขยับอยู่เสมอ ทำให้อากาศไหลเข้าทางรูเปิด (spiracle) และเข้าสู่ถุงลม (air sac) แล้วจึงผ่าน ไปตามท่อลมและท่อลมย่อย ซึ่งมีผนังบางทาให้เกิดการแลกเปลี่ยนแก๊สได้อย่างดี ดังนั้นระบบหมุนเวียน เลือดของแมลงจึงไม่ค่อยมีความสำคัญมากนัก เพราะเนื้อเยื่อได้รับแก๊สออกซิเจนจากท่อลมย่อยโดยตรงอยู่แล้ว

    แมลงขนาดใหญ่หรือบินได้ ที่ต้องการ O2 ปริมาณมาก การหด-คลายตัวของกล้ามเนื้อขณะเคลื่อนไหวจะช่วยในการขนส่ง O2

Figure 9 Spiracles, tracheal tubes
(http://www.quia.com/jg/1366108list.html)

    สำหรับแมงมุมบางชนิด จะใช้บุ๊คลัง (book lung) ในการแลกเปลี่ยนแก๊ส ซึ่งมีลักษณะคล้ายเหงือก ยื่นออกมานอกร่างกาย ทำให้สูญเสียความชื้นได้ง่าย และต้องการของเหลวไหลเวียนในโครงสร้างเพื่อเพิ่ม ประสิทธิภาพในการลำเลียงให้ทั่วส่วนต่าง ๆ ในร่างกาย

Figure 10 Book lung, tracheal tubes
(http://www.quia.com/jg/1366108list.html)

4. ปอด (lung) พบในนก

  อากาศจะไหลจาก posterior air sacs (posterior thoracic และ abdominal air sacs) ไปยัง anterior air sacs (interclavicular, cervicalและ anterior thoracic air sacs) ทั้งในขณะที่มีการหายใจเข้าและหายใจออก

  โดยปกตินกเมื่อนกหายใจเข้า อากาศครึ่งหนึ่งจะผ่านเข้าไปยัง posterior air sacs และอีกครึ่งที่เหลือจะผ่านเข้าไปยังปอดและ anterior air sacs ทำให้ถุงลมในร่างกายทั้งหมดขยายตัว และเมื่อหายใจออก ถุงลมจะมีการหดตัวทำให้อากาศจาก anterior air sacs ถูกขับออกมาทาง trachea ในขณะที่อากาศใน posterior air sacs จะไหลมาที่ปอดและถูกขับออกมากับลมหายใจ เนื่องจากอากาศที่ไหลผ่านนั้น ไหลเข้าทางเดียวทำให้อากาศที่ฟอกแล้วไม่รวมกับอากาศที่ยังไม่ได้ฟอก ทำให้การหายใจ 1 ครั้งจึงมีประสิทธิภาพมากกว่าสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมหายใจ ในปอดของนกไม่มี alveoli เหมือนในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม แต่มีโครงสร้างที่เรียกว่า parabronchi มาแทน ซึ่งภายในมี air vesicles มากมายที่เรียกว่า atria และบริเวณนี้เองที่มีการแลกเปลี่ยนก๊าซเกิดขึ้น

Figure 11 Terrestrial Vertebrates

(http://www.anselm.edu/homepage/jpitocch/gestrenbio/respnot.html)

    ในขณะที่กบยังเป็นตัวอ่อนหรือลูกอ็อด จะอาศัยอยู่ในน้ำจะแลกเปลี่ยนแก๊สที่เหงือกคล้ายปลา เมื่อลูกอ๊อด เปลี่ยนเป็นตัวเต็มวัย เหงือกจะหายไปแต่จะใช้ผิวหนังกับปอดในการแลกเปลี่ยนแก๊สแทน ลักษณะปอดของกบมีลักษณะเป็นถุงบางๆ 2 ถุงอยู่ภายในช่องลำตัวติดกับช่องปาก กบไม่มีกระดูกซี่โครง และกระบังลม ทำให้ขั้นตอนการหายใจแตกต่างจากคน

ขั้นตอนการหายใจ

    1.  ขณะที่รูจมูกเปิดเพื่อให้อากาศเข้านั้น ช่องทางผ่านของอากาศจะปิดลง ผนังด้านล่างจะลดต่ำลง

    2. รูจมูก ช่องทางผ่านของอากาศ จะเปิดกว้างผนังทางด้านล่าง ของปากจะยกตัวสูงขึ้น เพื่อไล้อากาศลงสู่ปอด ทำให้ปอดพองขยายออกแก๊สออกซิเจนแพร่เข้าสู้หลอดเลือดที่อยู่รอบๆ ปอด

    3. รูจมูกเปิดออก ผนังด้านล่างของปากยกตัวสูงขึ้นและลดต่ำลงทำให้อากาศเข้าและออกทางช่องปาก

    4. กล้ามเนื้อที่ผนังลำตัว ยกตัวทำให้ปริมาตรในช่องตัวลดลง ความดันสูงก็จะดันให้อากาศเข้าที่อยู่ในปอดออกมาทางช่องปาก

    ระบบการหมุนเวียนเลือดของกบ   หัวใจของกบมี 3 ห้อง เลือดจะถูกบีบให้ไหลไปยังปอด และเลือดก็จะย้อนกลับมายังหัวใจ อีกครั้งก่อนที่จะถูกบีบไปหล่อเลี้ยงร่างกาย ดั้งนั้นการหมุนเวียนของเลือดกบจะมีการไหลผ่านหัวใจ 2 ครั้ง ก่อนที่จะถูกบีบไปหล่อเลี้ยงร่างกาย

Figure 12 Terrestrial Vertebrates

(http://www.sci.nu.ac.th/biology/)