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/)