10-2 وظائف الجهاز التنفسي (Respiratory System Functions)

يقوم الجهاز التنفسي بوظيفته الأساسية في إيصال الأكسجين إلى الخلايا والتخلص من ثاني أكسيد الكربون، ولديه وظائف أخرى تشمل إصدار الصوت، ومشاركة الجهاز المناعي، وتنشيط الإنزيمات، وموازنة حمضية الدم. ينقسم الجهاز وظيفياً إلى منطقة توصيل الهواء ومنطقة تبادل الغازات. وتتم عملية التنفس عبر خطوات تبدأ بإيصال الهواء الخارجي إلى الرئتين، ثم دخول الأكسجين إلى الدم، وانتقاله إلى الخلايا، وأخيراً التحكم بسرعة وقوة هذه الخطوات عبر مراكز عصبية. وتخضع ميكانيكية الشهيق والزفير لقانون بويل $P_1V_1 = P_2V_2$ حيث يتناسب حجم الغاز تناسباً عكسياً مع الضغط عند ثبات درجة الحرارة والكتلة. بينما يعتمد انتقال الغازات عبر جدران الحويصلات الهوائية على قانون فيك للانتشار بانتقال المادة من مناطق التركيز المرتفع إلى المنخفض. فعندما يكون ضغط الغاز الأول خمسة كيلو باسكال وحجمه عشرة لترات، وأصبح حجمه خمسة لترات، فإن الضغط الجديد يصبح عشرة كيلو باسكال.

الفكرة الأساسية

يقوم الجهاز التنفسي بدور استراتيجي في إيصال الأكسجين إلى الخلايا لإنتاج الطاقة والتخلص من ثاني أكسيد الكربون عبر خطوات دقيقة ووظائف متعددة تشمل موازنة حمضية الدم وتنظيم تبادل الغازات.

الشرح

تبدأ الوظيفة الأساسية بإيصال الأكسجين والتخلص من ثاني أكسيد الكربون، إضافة إلى إصدار الصوت ومشاركة الجهاز المناعي وتنشيط بعض الإنزيمات وموازنة حمضية الدم بين $(7.35 - 7.45)$. تؤدي زيادة ثاني أكسيد الكربون إلى زيادة أيون الهيدروجين وانخفاض درجة الحموضة عن $(7.35)$ فيما يُعرف بالحمضي (Acidosis)، بينما يؤدي انخفاضه إلى ارتفاع درجة الحموضة فوق $(7.45)$ فيما يُعرف بالقلوي (Alkalosis).

نقسم الجهاز التنفسي من الناحية الوظيفية إلى قسمين:

1. منطقة توصيل الهواء: تبدأ من الأنف والفم والبلعوم والحنجرة التي تحتوي لسان المزمار، ثم القصبة الهوائية والشعب والشعيبات الهوائية. وظيفتها توصيل الهواء وترطيبه وتدفئته وتنقيته.
2. منطقة تبادل الغازات: تبدأ بالشعيبات التنفسية وقنوات الحويصلات الهوائية وأكياسها، وتتميز بطبقة رقيقة من الخلايا تساعد في عبور الغازات.

أما خطوات التنفس الأربع فهي:

• إيصال الهواء من المحيط الخارجي إلى الرئتين.
• دخول الأكسجين من الرئتين إلى الدم، وخروج ثاني أكسيد الكربون من الدم إلى الرئتين.
• انتقال الأكسجين في الدم إلى الخلايا، وانتقال ثاني أكسيد الكربون من الخلايا إلى الرئتين عبر الدم.
• التحكم بسرعة وقوة هذه الخطوات عن طريق مراكز متخصصة في الجهاز العصبي.

تخضع ميكانيكية الشهيق والزفير لقانون بويل للغازات $P_1V_1 = P_2V_2$؛ فعند انقباض الحجاب الحاجز والعضلات الضلعية يزيد حجم الرئتين والقفص الصدري فيقل ضغط الهواء داخل الرئتين وينتقل الهواء من الخارج إلى الداخل.

مثال محلول خطوة بخطوة

إذا كان ضغط الهواء في الرئتين يساوي $1$ ضغط جوي وحجمه يساوي $3$ لترات، ثم انقبض الحجاب الحاجز فزاد حجم الرئتين إلى $4$ لترات، فما الضغط الجديد داخل الرئتين بناءً على قانون بويل $P_1V_1 = P_2V_2$؟ الخطوة الأولى: حدد المعطيات: $P_1 = 1$ $V_1 = 3$ $V_2 = 4$ الخطوة الثانية: اكتب القانون: $P_1V_1 = P_2V_2$ الخطوة الثالثة: عوض بالأرقام: $(1) \times (3) = P_2 \times (4)$ الخطوة الرابعة: احسب الناتج: $3 = 4P_2$ $P_2 = \frac{3}{4} = 0.75$ ضغط جوي.

أخطاء شائعة

• الاعتقاد بأن قانون بويل يربط بين الضغط والحجم بعلاقة طردية بينما العلاقة عكسية.
• الخلط بين الحمضي والقلوي في قيم الرقم الهيدروجيني (pH).

سؤالان للتدريب مع الإجابة

السؤال الأول: ما الوظيفة التي تؤديها الحنجرة عبر وجود لسان المزمار؟ الإجابة: تمنع الطعام من الدخول إلى الرئتين. السؤال الثاني: كيف ينتقل معظم الأكسجين في الدم إلى الخلايا؟ الإجابة: محمولاً على الهيموجلوبين في كريات الدم الحمراء وتشكل نسبتة $(98\%)$.