الجهاز التنفسي: التركيب والوظيفة

الجهاز التنفسي: التركيب والوظيفة

T h e  R e s p i r a t o r y  S y s t em: S t r u c t u r e  a n d  F u n c t i o n

الدرس: 3

الجهاز التنفُّسي The Respiratory System

- يتكوَّن الجهاز التنفُّسي من أعضاء وتراكيب مرتبطة بها تسمح للأكسجين بالانتقال من الهواء الجوي إلى الدم، وتسمح لثاني أكسيد الكربون بالانتقال من الدم إلى الهواء،
انظر الشكل الآتي.

- عندما أتنفَّس يدخل الهواء من الأنف أو الفم، ثم يمر بالقصبة الهوائية، فالشعبتين الهوائيتين، فالشعيبات الهوائية التي تتفرَّع إلى شعيبات أصغر منها تنتهي بالحويصات الهوائية.

 

القصبة الهوائية والشعبتان الهوائيتان The Trachea and Bronchi

 - القصبة الهوائية أنبوب يخرج من الحنجرة في العنق، ويتفرَّع طرفه السفلي إلى شعبتين هوائيتين لهما تركيب مُشابِه له.

- وهي تمتاز بتجويف عريض نسبيًّا، يظل مفتوحًا بسبب الغضاريف الموجودة في جدرانها؛ إذ تمنع هذه الغضاريف التي تكون على شكل حرف C التصاق جدران القصبة الهوائية، أو توسُّع تجويفها توسُّعًا كبيرًا نتيجة تغيُّرات ضغط الهواء المفاجئة في أثناء التنفُّس السريع.

- تحتوي جدران الشعبتين الهوائيتين أيضًا على غضروف، ويعمل الانقباض والانبساط للعضلات الملساء الموجودة في جدران القصبة الهوائية والشعبتين الهوائيتين على تغيير قُطْر التجويف في أثناء عملية التنفُّس؛ إذ يؤدي انبساط هذه العضلات إلى توسُّع قُطْر التجويف؛ ما يسمح بتدفُّق كمية أكبر من الهواء، انظر الشكل الآتي.

سؤال: من الشكل أعلاه ماذا يُسمّى الجزء المشار إليه بالحرف س؟

- الحنجرة

- تُبطِّن القصبة الهوائية والشعبتان الهوائيتان خلايا طلائية على سطحها أهداب، تعمل مع المخاط الذي تُفرِزه خلايا طلائية مُتخصِّصة تُسمّى الخلايا الكأسية على التخلُّص من الجسيمات الغريبة التي تدخل الجسم، مثل: الغبار، والبكتيريا، والفيروسات، وأبواغ الفطريات؛ إذ تتحرَّك الأهداب لتحريك المخاط الذي تَعْلق فيه الجسيمات الغريبة،ويُبتلَع عن طريق الحلق، ليصل إلى المعدة، ثم يتخلَّص الجسم من كل ذلك بطرحه مع الفضلات الصُّلْبة، أنظر الشكل الآتي.

- تتفرَّع الشعبتان الهوائيتان إلى شعيبات هوائية تنتهي بحويصلات هوائية.

أبحث: الخلل في انقباض العضات الملساء الموجودة في جدران الممرات الهوائية يؤدي إلى أمراض واختالات في الجهاز التنفسي. أبحث في مصادر المعرفة المناسبة عن الاختلالات التي يصاب بها الجهاز التنفُّسي نتيجة لذلك، ثم أُعِدُّ فلاً قصرًا عن ذلك باستخدام برنامج movie maker ، ثم أعرضه أمام زملائي في الصف.

- في أثناء حدوث نوبة الرَّبو تتقلَّص العضلات الملساء في القصبات، ممَّا يؤدي إلى تضيُّقها (تسمَّى الحالة التضيُّق القصبي)، وتتورَّم الأنسجة المبطنة للمسالك الهوائيَّة مؤدية إلى حدوث التهابٍ وإفراز المخاط في المسالك الهوائيَّة. وقد تتضرَّر الطبقة العليا من بطانة المسلك الهوائي وتتوسَّع الخلايا، ممَّا يزيد في تضيُّقه. ويتطلَّب حدوث هذا التضيَّق بذل المريض للمزيد من الجهد حتَّى يتنفَّس.

في حالة الرَّبو، يكون التَّضيُّق قابلًا للعكس؛ بمعنى أنه مع استعمال العلاج المناسب أو من دون علاج، تتوقَّف التَّقلُّصات العضلية في المسالك الهوائيَّة ويزول الالتهاب بحيث تتوسع المسالك الهوائية مرَّة أخرى، ويعود جريان الهواء من وإلى الرئتين إلى وضعه الطَّبيعي.

أفكّر: ما التراكيب التي تُفرِز المخاط إضافةً إلى الخلايا الكأسية؟

مِمَّ يتكوَّن المخاط؟

- الغدد المخاطية
- يعتبر المخاط الشفاف طبيعيًا وصحيًا، حيث يقوم جسم الإنسان بإنتاج حوالي 1.5 لترا من هذا المخاط يوميًا ويتكون المخاط الشفاف من الماء كما يوجد فيه مجموعة من البروتينات والأملاح والأجسام المضادة.

أفكّر: يبلغ طول القصبة الهوائية للشخص البالغ نحو 11cm ، وتُحرِّك الأهداب المخاط بسرعة متوسطة مقدارها 5 mm/min. ما الزمن الذي يستغرقه المخاط في الانتقال من أسفل القصبة الهوائية إلى أعلاها؟

- 22 ثانية

الحويصلات الهوائية Alveoli

- تنتهي الشعيبات الهوائية بالحويصلات الهوائية Alveoli ؛ وهي تراكيب يحدث فيها تبادل الغازات بعملية الانتشار، وتُبطِّنها طبقة من الخلايا الطلائية.

- لا تحتوي جدران الحويصلات الهوائية على غضروف، أو عضلات ملساء؛ فجدرانها رقيقة جدًّا، وهي تحوي أليافًا مرنة تتكوَّن من بروتين اسمه إيلاستين، وتساعد الحويصلات الهوائية على الاتِّساع بتمدُّد جدرانها عند الشهيق، والعودة إلى حجمها الطبيعي عند الزفير.

- يُسهِم شكل الحويصلة الهوائية في زيادة مساحة سطح تبادل الغازات؛ إذ إنَّ سطوحها مستديرة، واتِّساع الحويصلة الهوائية الناتج من عملية الشهيق يزيد مساحة السطح، انظر الشكل الآتي:

 

- من العوامل الأُخرى التي تزيد من كفاءة تبادل الغازات في عملية الانتشار: جدران الحويصلات الهوائية الرقيقة، وكثافة وجود الشعيرات الدموية على السطوح الخارجية للحويصلات الهوائية، وجدران الأوعية الدموية الرقيقة التي تتيح تبادل الغازات بسهولة.

أتحقَّق: أُوضِّح المقصود بالحويصلة الهوائية.

- تنتهي الشعيبات الهوائية بالحويصلات الهوائية وهي تراكيب يحدث فيها تبادل الغازات بعملية الانتشار، وتبطنها طبقة من الخلايا الطلائية.

يُبيِّن الجدول الآتي مُكوِّنات كلٍّ من هواء الشهيق، وهواء الزفير:

الغاز	مكونات هواء الشهيق(%)	مكونات هواء الزفير(%)
الأكسجين	21	16
ثاني أكسيد الكربون	0.004	4
النيتروجين	79	79

 

أفكّر: عندما يصل الهواء إلى الرئتين في أثناء الشهيق فإنَّه يصبح دافئًا. ما أثر ذلك في سرعة انتشاره في أثناء تبادل الغازات؟

- يزيد من سرعة انتشاره .

أُفسِّر: ما أثر نسب الغازات المختلفة في كلٍّ من هواء الشهيق وهواء الزفير في كفاءة عملية تبادل الغازات؟

- سطح تبادل الغازات جيد التهوية. هذا يعني أن الهواء موجود باستمرار شهيق وزفير. سوف يحتوي الهواء الشهيق على تركيز أعلى من الأكسجين وتركيز ثاني أكسيد الكربون أقل من هواء الزفير. يتم أيضًا الحفاظ على تدرجات تركيز الغازات من خلال وجود نظام الدورة الدموية الجيد في الشعيرات الدموية. حيث ينتقل الدم غير المؤكسج باستمرار إلى الرئتين ويتم إزالة الدم المؤكسج باستمرار .

أبحث: يتعرَّض الجسم لتغيرُّات في أثناء عمليتي الزفر والشهيق، تُسمّى الحركات التنفُّسية. أبحث في مصادر المعرفة المناسبة عن هذه التغيرُّات، ثم أُعِدُّ فلماً قصيرًا عنها باستخدام برنامج
movie maker ، ثم أعرضه أمام زملائي في الصف.

- تنقبض العضلة حول الحجاب الحاجز ويتسطح الحجاب الحاجز في الشكل. وتنقبض العضلات الصدرية ما بين الأضلاع، مما يجعل الضلوع تتحرك إلى الأعلى وإلى الخارج. تؤدي هذه التغيرات إلى زيادة حجم الصدر وإلى انخفاض ضغط الهواء في القفص الصدري. هذا الانخفاض في الضغط يدخل الهواء إلى الرئتين. وتبقي حلقات الغضروف في القصبة الهوائية والشعب الهوائية الممرات الهوائية مفتوحة وتمنعهم من الانهيار عندما ينخفض ضغط الهواء ومن الانفجار عند زيادة ضغط الهواء.
- يتم إخراج الهواء من الرئتين بالزفير على النحو التالي: ترتخي عضلة الحجاب الحاجز حتى يعود الحجاب الحاجز إلى مكانه وشكله. هذا يعني ذلك أنه يضغط على الرئتين. تسترخي العضلات ما بين الأضلاع، فتهبط الأضلاع لأسفل، مما يزيد الضغط على الرئتين. تؤدي هذه التغيرات إلى انخفاض حجم الصدر وزيادة ضغط الهواء في القفص الصدري، وخروج الهواء من الرئتين.

الربط بالرياضيات

إذا كان متوسط قُطْر حويصلة هوائية كروية الشكل هو 300 μm ، فأُجيب عن الأسئلة الآتية:
- ما مساحة سطح الحويصلة (m²)؟ ما حجمها (m³)؟
- ما النسبة بين مساحة سطح هذه الحويصلة وحجمها؟
استعمل المعادلتين الرياضيتين الآتيتين:
المساحة= r² 4π                           حجم الكرة= $\frac{3}{4}$r³ π
حيث r نصف القُطْر.

 r = 300 × 10⁶/2=150 × 10^-6 نصف القطر

 4πr²= مساحة الكرة

= 4 × π × (1.5 × 10^-4 m)²3

نقل الأكسجين وثاني أكسيد الكربون
Transport of Oxygen and Carbon Dioxide

 - يحدث تبادل للأكسجين وثاني أكسيد الكربون بين الحويصلات الهوائية والدم في الشعيرات الدموية المحيطة بها.

- إذ ينقل الدم الأكسجين من الرئتين إلى خلايا الجسم، ثم تتبادل خلايا الجسم والدم ثاني أكسيد الكربون والأكسجين، ثم يُنقَل ثاني أكسيد الكربون من خلايا الجسم إلى الرئتين، ثم يُطرَح خارج الجسم.

نقل الأكسجين Transport of Oxygen

- ينتقل الأكسجين في الدم وهو ذائب في البلازما بما نسبته % 2 فقط، في حين ينتقل معظمه عن طريق الهيموغلوبين، أنظر الشكل الآتي.

- الهيموغلوبين Hemoglobin بروتين يتكوَّن من أربع سلاسل عديد الببتيد، تحتوي كلٌّ منها على مجموعة هيم واحدة. ويُمكِن لمجموعة الهيم الواحدة الارتباط بجزيء واحد من الأكسجين، ولهذا
يُمكِن لجزيء واحد من الهيموغلوبين الارتباط بأربعة جزيئات من الأكسجين لتكوين أكسيهيموغلوبين Oxyhemoglobin بحسب المعادلة الآتية:

Hb + 4O₂ $\rightleftarrows$Hb - (O₂)₄

علمًا بأنَّ هذا الارتباط قابل للانعكاس، انظر الشكل الآتي:

- إذا ارتبط جزيء الهيموغلوبين بأربعة جزيئات أكسجين، فإنَّه يصبح مشبعًا بنسبة % 100.

- وإذا ارتبط بعدد أقل من الجزيئات، فإنَّ نسبة إشباعه تنخفض. أمّا إذا كان الأكسجين قليلاً، كما في الأنسجة، فإنَّ الأكسيهيموغلوبين يتفكَّك، ويتحرَّر منه الأكسجين، لاحظ الجدول الآتي:

العوامل التي تساعد على تفكُّك جزيء الأكسيهيموغلوبين
الضغط الجزئي للأكسجين Partial Pressure of Oxygen	تأثير بور The Bohr Shift	درجة الحرارة Temperature
- تزداد نسبة تشبُّع الهيموغلوبين بالأكسجين عند زيادة الضغط الجزئي للأكسجين ؛Partial Pressure of Oxygen (Po2) - وهو الضغط الناتج من غاز الأكسجين في خليط الغازات. - أمّا إذا كان الضغط الجزئي للأكسجين منخفضًا، فإنَّ الأكسيهيموغلوبين يتفكَّك في الأنسجة مُحرِّرًا الأكسجين.	- يُطلَق على تأثير الرقم الهيدروجيني في قدرة الهيموغلوبين على الارتباط بالأكسجين اسم تأثير بور The Bohr Shift. - فعندما يزداد تركيز ثاني أكسيد الكربون CO2 ، وتنخفض pH ، يزداد تفكُّك الأكسيهيموغلوبين كما في الأنسجة. - في حين يزداد ارتباط الأكسجين بالهيموغلوبين إذا كان الرقم الهيدروجيني مرتفعًا كما في الرئتين.	- تعمل التغيُّرات في درجات الحرارة على تفكُّك الأكسيهيموغلوبين. فمثلا، ارتفاع درجة الحرارة إلى حدٍّ مُعيَّن يؤدي إلى زيادة تفكُّك الأكسيهيموغلوبين، أمّا انخفاضها إلى حدٍّ مُعيَّن فيؤدي إلى زيادة ارتباط الأكسجين بالهيموغلوبين.

 

سؤال: تحتوي كل خلية دم حمراء على نحو 2.4 × 10⁸ جزيء من الهيموغلوبين. إذا حوى جسم أحد الأشخاص 6.5 × 10⁶ من خلايا الدم الحمراء لكل mm³ من الدم، فما عدد جزيئات الهيموغلوبين في 1  mm³ من دمه؟

- 1.56 $\times$10¹⁵

2.4 × 10⁸ × 6.5 × 10⁶

أتحقَّق: أُوضِّح العوامل التي تساعد على تفكُّك جزيء الأكسيهيموغلوبين.

- تزداد نسبة تشبُّع الهيموغلوبين بالأكسجين عند زيادة الضغط الجزئي للأكسجين أمّا إذا كان الضغط الجزئي للأكسجين منخفضًا، فإنَّ الأكسيهيموغلوبين يتفكَّك في الأنسجة مُحرِّرًا
الأكسجين.
- يُطلَق على تأثير الرقم الهيدروجيني في قدرة الهيموغلوبين على الارتباط بالأكسجين اسم تأثير بور فعندما يزداد تركيز ثاني أكسيد الكربون ، وتنخفض pH ، يزداد تفكُّك الأكسيهيموغلوبين كما في الأنسجة، في حين يزداد ارتباط الأكسجين بالهيموغلوبين إذا كان الرقم الهيدروجيني مرتفعًا كما في الرئتين .
- تعمل التغيُّرات في درجات الحرارة على تفكُّك الأكسيهيموغلوبين. فمثلا، ارتفاع درجة الحرارة إلى حدٍّّ مُعيَّن يؤدي إلى زيادة تفكُّك الأكسيهيموغلوبين، أمّا انخفاضها إلى حدٍّّ مُعيَّن فيؤدي إلى زيادة ارتباط الأكسجين بالهيموغلوبين .

أبحث: توجد أنواع عِدَّة من الهيموغلوبين. أبحث في مصادر المعرفة المناسبة عن تركيب هذه الأنواع، وقدرة كلٍّ منها على نقل الأكسجين، ثم أُعِدُّ فلاً قصيرًا عنها باستخدام برنامج movie maker ، ثم أعرضه أمام زملائي في الصف.

- يتكون الهيموجلوبين عموماً من هيموجلوبين (F) عند الأجنة إلى عمر السنة، ثم يبدأ بعد ذلك بالانخفاض، ويمكن معرفة المستويات الطبيعية للهيموجلوبين من خلال الجدول الآتي:

العمر	نسبة الهيموغلوبين F
حديث الولادة	60-80%
+ 1 سنة	1-2%

الكبار : المستويات الطبيعية لأنواع الهيموجلوبين عند الكبار كما في الجدول الآتي: 

نوع الهيموغلوبين	المستوى
هيموغلوبين A	95-98%
هيموغلوبين A2	2-3%
هيموغلوبين F	1-2%
هيموغلوبين S	0%
هيموغلوبين C	0%

 

نقل ثاني أكسيد الكربون Transport Of Carbon Dioxide

- في ما يأتي الحالات التي يُنقَل فيها ثاني أكسيد الكربون من خلايا الجسم:

* الذوبان في البلازما Dissolved in Plasma : يُنقَل نحو % 7 من ثاني أكسيد الكربون وهو ذائب في البلازما.

* الارتباط بالهيموغلوبين Bounded to Hemoglobin :

- يُنقَل ما نسبته 23% من ثاني أكسيد الكربون عن طريق الارتباط بالهيموغلوبين داخل خلايا الدم الحمراء، مُكوِّنًا مُركَّبًا يُسمّى الكاربامينوهيموغلوبين Carbaminohemoglobin.

- وعند وصول الدم إلى الرئتين يتحرَّر ثاني أكسيد الكربون في الشعيرات الدموية من الكاربامينوهيموغلوبين، وينتقل من خلايا الدم الحمراء إلى بلازما الدم، ومنها ينتشر إلى الحويصلات الهوائية، ثم إلى خارج الجسم عن طريق هواء الزفير.

*أيونات الكربونات الهيدروجينية ^-HCO₃ :-
- يُنقَل نحو % 70 من ثاني أكسيد الكربون في صورة أيونات الكربونات الهيدروجينية في بلازما الدم.

- إذ يخرج ثاني أكسيد الكربون الذائب في سيتوسول الخلايا إلى السائل النسيجي، ثم ينتشر في بلازما الدم، ثم يتحد مع الماء داخل خلايا الدم الحمراء مُكوِّنًا حمض الكربونيك H₂CO₃.

- يحدث هذا التفاعل ببطء شديد، ولكنَّ خلايا الدم الحمراء تحوي إنزيم كربونيك أنهيدريز الذي يُحفِّز هذا التفاعل، ويُسرِّعه كثيرًا كما في المعادلتين الآتيتين:
CO₂ (aq) + H₂O → H₂CO₃ (aq)
- بعد ذلك يتفكَّك حمض الكربونيك H₂CO₃ ، وينتج من هذا التفكُّك أيونات الهيدروجين ⁺ H، وأيونات الكربونات الهيدروجينية ^-HCO₃ كما في المعادلة الآتية:
H₂CO₃ (aq) → H⁺ (aq) + HCO₃^- (aq)

- ونظرًا إلى وجود أيونات الهيدروجين المذابة في سيتوبلازم خلايا الدم الحمراء؛ يتكوَّن وسط حمضي يضرُّ غالبًا بجسم الإنسان. غير أنَّ للهيموغلوبين قدرة كبيرة على الارتباط بأيونات الهيدروجين؛ ما يُقلِّل من ضررها، وبذلك يعمل الهيموغلوبين بوصفه مُنظِّمًا؛ إذ يحافظ على بقاء الرقم الهيدروجيني pH في خلايا الدم الحمراء ثابتًا نسبيًّا نتيجة ارتباط أيونات الهيدروجين به مُكوِّنًا حمض الهيموغلوبينيك(HHb) Haemoglobinic Acid:

Hb + H⁺ → HHb

- تخرج أيونات الكربونات الهيدروجينية السالبة الشحنة من خلايا الدم الحمراء إلى بلازما الدم، ويدخل أيون واحد من الكلوريد^-Cl مقابل كل أيون من أيونات الكربونات الهيدروجينية ^-HCO_³ 
للمحافظة على الاتزان الكهربائي على جانبي غشاء خلية الدم الحمراء، في ما يُعرَف بعملية إزاحة أيونات الكلور ،Chloride Shift، انظر الشكل الآتي.

- عند وصول الدم إلى الشعيرات الدموية المحيطة بالحويصلات الهوائية، تنتشر أيونات الكربونات الهيدروجيني ^-HCO₃ من بلازما الدم إلى الشعيرات الدموية المحيطة بالحويصلات الهوائية، وترتبط بأيونات الهيدروجين مُكوِّنة حمض الكربونيك الذي يتفكَّك، فينتج ماء وثاني أكسيد الكربون في خلايا الدم الحمراء.

- ثم ينتقل ثاني أكسيد الكربون إلى بلازما الدم، ومنها إلى الحويصلات الهوائية ، ثم إلى خارج الجسم عن طريق هواء الزفير، أنظر الشكل الآتي:

أتحقَّق: ما اسم المُركَّب الناتج من ارتباط الهيموغلوبين بكلٍّ من الأكسجين، وثاني أكسيد الكربون؟

- ارتباط الأكسجين بالهيموغلوبين ينتج أكسيهيموغلوبين
ارتباط ثاني أكسيد الكربون بالههيموغلوبين ينتج كاربامينوهيموغلوبين