الجهاز التنفسي

إن حاجة الجسم إلى الأوكسجين ماسة ودائمة, فالإنسان قد يصوم عن الطعام أياماً كثيرة, ويصبر على العطش أياماً قلائل , ولكن تحمله الحرمان من الأوكسجين لا يتجاوز دقائق معدودة , ويقابل هذا ضرورة التخلص من غاز ثاني أوكسيد الكربون الناتج من أكسدة الأكسجين لمواد الغذاء.
ومهمة جهاز التنفس هي تهيئة اللقاء بين الدم والهواء, حيث يأخذ الدم من الهواء غاز الأكسجين ويتخلص في الهواء من غاز ثاني أوكسيد الكربون ولهذا يتميز جهاز التنفس بخاصيتين تمكنانه من أداء وظيفته :
1- القدرة على سحب الهواء إلى داخل الجسم ثم طرده منه.
2- أنه يتكون من أنابيب كثيرة التفرع, تنتهي فريعاتها الدقيقة بحجرات ضئيلة للغاية يتم التبادل الغازي من خلال جدرها الرقيقة.

يتكون الجهاز التنفسي من الأعضاء التالية :

1- الأنف  Nose
2- البلعوم والحنجرة Pharynx and Larynx
3- القصبة الهوائية وفروعها Trachea and Bronchi

4- الرئتان Lungs

1- الأنف  Nose
يدخل الهواء من فتحتي الأنف ( المنخرين ) إلى تجويفين يفصلهما حاجز مرن, ويفصل سقف الفم ( الحنك ) تجويفي الأنف عن تجويف الفم أسفل منهما.

والأنف ليس مجرد مدخل ومخرج للهواء وإنما هو عضو شم وجهاز تكييف وتنقية للهواء الداخل. ويساعد على ذلك :

1. أن فتحتيه تحرسهما شعيرات تحجز الشوائب التي قد يحملها الهواء.
2. أن تجويفيه مزودان بثنايا أفقية تزيد من مساحتهما كثيراً وتكسر من حدة اندفاع الهواء.
3. كما أنهما مبطنان بغشاء يفرز المخاط وتحمل خلاياه أهداباً مجهرية دقيقة.
4. والشعيرات الدموية الكثيرة التي تحت الغشاء تدفئ الهواء إذا كان بارداً, والمخاط يرطبه إذا  كان جافاً ويتصيد الشوائب الدقيقة التي قد تكون عالقة به.
5. كما أن الأهداب تتحرك باستمرار دافعة بالدقائق والمخاط نحو الخارج.
6. كما يذيب المخاط المواد المتطايرة والمتبخرة التي يحملها الهواء فتحس بها بعض الخلايا المتخصصة والمنتشرة في بعض مناطق غشاء الأنف وهذه هي حاسة الشم.

2- البلعوم والحنجرة Pharynx and Larynx :

يمر الهواء من الأنف إلى الداخل خلال البلعوم وهو أنبوبة عضلية قصيرة تقوم بدور مزدوج من إمرار الغذاء إلى المريء وإمرار الهواء إلى الحنجرة. والحنجرة التي تصدر منها الأصوات  تحميها من الأمام درع غضروفية بارزة تسمى الغضروف الدرقي وتعرف باسم ( تفاحة آدم ) ويبطن جوف الحنجرة غشاء مخاطي, كما يحرس مدخلها زائدة غضروفية تسمى لسان المزمار . ويمتد عبر تجويف الحنجرة من الداخل الحبلان الصوتيان وهما العضوان الرئيسان في إصدار الأصوات.

3- القصبة الهوائية وفروعها Trachea and Bronchi:

يمر الهواء من الحنجرة إلى شجرة من الأنابيب تبدأ هذه الشجرة المقلوبة بالقصبة الهوائية التي تمتد في العنق وأعلى الصدر نحواً من عشرة سنتيمترات ثم تتفرغ إلى شعبتين تدخل كل منهما إحدى الرئتين. وتتفرغ كل شعبة نحواً من عشرين مرة إلى أفرع كثيرة آخذة بالصغر حتى تنتهي إلى فريعات دقيقة تسمى الشعيبات. وتنتهي كل شعيبة بمجموعة عنقودية من غرف كروية هي الحويصلات التنفسية, وتحيط الشعيرات الدموية إحاطة وثيقة بالحويصلات وكلاهما جدره رقيقة للغاية وهي وحدها التي تفصل بين الدم والهواء ولذلك يحدث التبادل بينهما في سرعة ويسر.

الحويصلات هي الجزء التنفسي الفعال – عددها هائل جداً يبلغ نحواً من 350 مليوناً. ولو أننا فتحنا هذه الحويصلات وبسطنا أسطحها لبلغت نحواً من 70 متراً مربعاً وخلال هذا السطح تتنفس أجسامنا.

جدر القصبة الهوائية والشعبتين الرئيستين وأفرعهما الكثيرة مزودة بحلقات غضروفية تجعلها مفتوحة بإستمرار لمرور الهواء . ولكن حلقات القصبة وحدها تكون ناقصة من الخلف حيث يمتد المريء, وهذا يسمح للمريء بالتمدد والضغط على القصبة أثناء البلع .

وجدر هذه الأنابيب مزودة أيضاً بغشاء مخاطي مهدب.

أما جدر الشعيبات فهي خالية من الحلقات الغضروفية والأهداب, ولكنها مزودة بعضلات لا إرادية توسعها وتضيقها عند الشهيق والزفير, فضلاً عن وقوعها تحت سيطرة الجهاز العصبي الذاتي الذي ينظم إتساعها وفق حاجات الجسم المتغيرة. 

4- الرئتان  Lungs: يتكون نسيج الرئتين من الأفرع الشعبية والشعيبات والحويصلات محاطة بأنسجة رقيقة أخرى تضمها وتدعمها, وبعض الألياف المرنة التي تسمح لها بالتمدد والانكماش استجابةً لدخول الهواء وخروجه. والمسالك والحويصلات الهوائية تكسب الرئتين قواما إسفنجياً ووزناً خفيفاً. والرئتان عضوان كبيران, تملأ كل منهما الجانب الذي تشغله من التجويف الصدري على مقربة من غشاء التامور الذي يحيط بالقلب.  والرئة ذات شكل مخروطي تقريباً, تقع قمته إلى أعلى خلف عظمة الترقوة مباشرة أما قاعدته فهي أوسع كثيراً وتتكون من جزء الرئة الموجودة مباشرة فوق الحجاب الحاجز الذي يفصل تجويف الصدر عن البطن.

والرئة اليمنى تنقسم جزئياً إلى ثلاثة فصوص, وهي أكبر من اليسرى التي يوجد بها فصان فقط ( ويشاركها المكان معظم القلب ).

يغطي الرئتين غشاء رقيق هو البلورا ( الجنب ) التي تنثني على نفسها فتبطن السطح الداخلي لجدار الصدر, وتفرز البلورا سائلاً شفافاً يشغل تجويفاً ضيقاً هو التجويف البلوري بين الرئتين وتجويف الصدر, وهذا يقلل من الاحتكاك أثناء التنفس وبالتالي يسهل حركة الرئتين. 

يكون ضغط السائل بين الطبقتين أقل بقليل من ضغط الهواء داخل الرئتين, وهذا الفرق البسيط في الضغط يجعل الرئتين منتفختين إلى حد ما حتى في حالة الزفير.

عند حدوث ثقب في كيس البلورا ( الجنب ) يدخل الهواء بين الطبقتين فتنكمش الرئة ويتوقف نشاطها.

آلية الشهيق والزفير : الحركات التنفسية ( Respiratory Movements) : القوة الفعالة التي تحدث الشهيق ليست في الرئة نفسها. وإنما هي عضلات الصدر والحجاب الحاجز. الشهيق : تدفع عضلات الصدر عند انقباضها الضلوع المائلة إلى أعلى وإلى الخارج وفي الوقت نفسه ينقبض الحجاب الحاجز ويقل تحدبه وبذلك يتسع التجويف الصدري إلى أسفل وإلى الأمام وإلى الجانبين ويترتب على ذلك تغيرات تحدث في البطن أيضاً. إذ يزيد الضغط داخل تجويف البطن فتدفع الأحشاء الداخلية جدار البطن المرتخي إلى الأمام.

نتيجة لاتساع التجويف الصدري تتمدد الرئتان لملئه حيث يستحيل وجود فراغ مطلق بينهما وبين جدار الصدر , ويترتب على تمدد الرئتين انخفاض ضغط الهواء الموجود فيهما ومن ثم يندفع الهواء الجوي الذي يفوقه ضغطاً داخل الرئتين حتى يتعادل الضغطان الداخلي والخارجي.

الزفير : وهو عملية سلبية إلى حد كبير, أي تحدث بدون مجهود عضلي, فهي تتم عادة نتيجة صغر تجويف الصدر بسبب ارتخاء عضلات الصدر والحجاب الحاجز وارتداد الأضلاع وتقاربها, ومن ثم تعود الرئتان إلى الانكماش بمرونتهما الطبيعية, وما يترتب على هذا كله من طرد الهواء من الرئتين في هدوء.

كيف يتم تنظيم عملية التنفس ؟

المنظم الرئيس لحركات التنفس هو مركز التنفس الكائن في النخاع المستطيل وهو يتحكم في قوة حركة عضلات الصدر والحجاب الحاجز ويعاونه في ذلك الجهاز العصبي الذاتي الذي يتحكم في ضيق الشعيبات واتساعها. 

عند دخول الهواء إلى الرئتين في أثناء الشهيق يزداد ضغط الهواء على جدار الرئتين.
تتأثر المستقبلات  العصبية في جدر الحويصلات الهوائية.
ترسل سيالات عصبية إلى المركز التنفسي في النخاع المستطيل وهذا يثبط عمله فترتخي العضلات التنفسية ويحدث الزفير.

كذلك يتأثر المركز التنفسي بتركيز ثاني أوكسيد الكربون في الدم, فارتفاع تركيزه يحفز المراكز على إرسال سيالات عصبية تؤثر في العضلات التنفسية لتنقبض.

وهناك أيضاً مستقبلات حسية لها علاقة بتنظيم عملية التنفس توجد في جدار الأبهر والشريانين السباتيين في الرقبة . وتكثر في هذه المستقبلات نهايات عصبية تنبه في حالة التركيز المنخفض جداً للأوكسجين  في الدم, والتركيز المرتفع لثاني أوكسيد الكربون فيه, فترسل سيالات عصبية إلى المركز التنفسي الذي يرسل سيالات عصبية إلى العضلات التنفسية لتنقبض.

تبادل الغازات Gas Exchange:

الهدف الجوهري لجهاز التنفس هو تهيئة اللقاء بين هواء الحويصلات و دم الشعيرات الدموية المحيطة بها إحاطة القفاز باليد. وتنظيم ذلك اللقاء بالشهيق والزفير. ويتم التبادل الغازي بين الدم وهواء الحويصلات وفقاً لقوانين الفيزياء المعتادة في انتشار الغازات, دون الاعتماد على نقل إيجابي أو أي نشاط خلوي.

والدم في الشعيرات الدموية المحيطة بالحويصلات يكون قد جاء لتوه من أنسجة الجسم بعد أن استهلكت معظم ما كان يحمل من أكسجين وحمله ثاني أوكسيد الكربون الناتج من عمليات أكسدة الغذاء فيها. ونظراً لأن التركيز النسبي لجزيئات الأكسجين يكون في الحويصلات أعلى منه في الدم ولذلك ينتشر الأكسجين من الحويصلات إلى الدم. بينما يكون التركيز النسبي لجزيئات ثاني أوكسيد الكربون في الدم أعلى منه في الحويصلات فينتشر ثاني أوكسيد الكربون من الدم إلى الحويصلات .

مقارنة بين مكونات هواء الشهيق وهواء الزفير

نسب الغازات المختلفة
بخار الماء	نيتروجين	ثاني أوكسيد الكربون	أكسجين	نوع الهواء
نسبة متغيرة	78.62%	0.04%	20.84%	هواء الشهيق
6.5%	74.5%	3.6%	15.7%	هواء الزفير

ويحدث بين أنسجة الجسم والدم عكس ما يحدث له مع هواء الحويصلات , إذ لما كانت الأنسجة مستمرة في إستهلاك الأكسجين وإطلاق ثاني أوكسيد الكربون, فإن الأكسجين ينتشر في الدم إلى الأنسجة. بينما ينتشر ثاني أوكسيد الكربون منها إلى الدم.

نقل الدم للأوكسجين وثاني أوكسيد الكربون بين الرئتين وأنسجة الجسم :

كيف يقوم الدم بمهمته الحيوية في نقل الأوكسجين من الرئتين إلى أنسجة الجسم وكيف يقوم بنقل ثاني أوكسيد الكربون من الأنسجة إلى الرئتين ؟

عند حدوث الشهيق يدخل إلى الرئتين هواء ترتفع فيه نسبة الأكسجين ( راجع الجدول ) ليصل هذا الهواء إلى الحويصلات الهوائية.

وفي الشعيرات الدموية التي تحيط بالحويصلات الهوائية تكون نسبة الأكسجين قليلة وهنا يتم الانتقال عبر جدار الحويصلات ثم عبر جدار الشعيرات الدموية, إلى الخلايا الدموية الحمراء حيث يرتبط بالهيموغلوبين الذي يتميز بقدرته على أن يرتبط بالأكسجين ارتباطاً ضعيفاً بعملية الانتشار البسيط المعتمد على فرق التركيز.

يتحد الهيموغلوبين مع الأكسجين على شكل مركب يسمى أكسي هيموغلوبين, ويكون هذا الارتباط هشاً, فينحل إلى مكونيه عندما يصل إلى نسيج تقل فيه نسبة الأكسجين عما هي عليه في الدم, أو عندما ترتفع حموضة الأنسجة أو درجة حرارتها وينتقل الأكسجين بالانتشار نحو الأنسجة التي تحتاج إليه.

وهكذا يأخذ الهيموغلوبين حمله من الأكسجين من الرئة ليفرغه بين الأنسجة عندما يصل الدم إليه. 

أما انتقال ثاني أكسيد الكربون فيتم بطريقة مشابهة :

يكون الدم القادم إلى الحويصلات بواسطة الشريان الرئوي وفروعه يحمل تركيزاً عالياً من ثاني أكسيد الكربون, بينما يحتوي هواء الحويصلات على نسبة أقل من هذا الغاز يؤدي إلى انتشار الغاز نحو حويصلات الرئة من الدم, حيث يخرج مع هواء الزفير. غير أن نقل ثاني أكسيد الكربون أكثر تعقيداً من نقل الأكسجين ويتم بثلاث طرق كما يأتي :

1- 70% من ثاني أكسيد الكربون ينقل على صورة كربونات هيدروجينية ( البايكربونات ) حيث يذوب ثاني أكسيد الكربون في ماء البلازما, أو خلايا الدم الحمراء مكوناً حمض الكربونيك حسب المعادلة التالية :

CO2

+

H2O

®

H2CO3

بواسطة أنزيم خاص في خلايا الدم الحمراء ثم يتحلل حمض الكربونيك معطياً أيون الهيدروجين وأيون الكربونات الهيدروجينية حسب المعادلة:

H2CO3

®

H+

+

HCO3-

تنتشر من داخل خلايا الدم الحمراء إلى البلازما, ويحمل في الدم حتى الرئتين. وفي الرئتين يعاد تكوين حمض الكربونيك بعكس التفاعل السابق ثم يتحلل إلى ماء وثاني أكسيد الكربون الذي ينتشر بدوره من الدم إلى الحويصلات. 

2- 23% من ثاني أكسيد الكربون ينقل بالارتباط المباشر بالجزء البروتيني لجزيء الهيموغلوبين وينقل معه إلى الرئتين, حيث ينفصل عنه ويخرج إلى الحويصلات. 

3- 7% من ثاني أكسيد الكربون ينقل ذائباً في ماء البلازما, وعندما يصل إلى الرئتين ينتشر هذا الغاز إلى الحويصلات.