ภาพที่ 6-5  โครงสร้างที่ใช้แลกเปลี่ยนแก๊สของแมงมุม

               จากภาพที่6-5  นักเรียนจะเห็นว่าแมงมุมไม่มีท่อลมแทรกไปตามเนื้อเยื่อต่างๆ  แต่มีท่อลมซ้อนเป็นชั้นพับไปมามีลักษณะคล้ายแผงและมีหลอดเลือกนำคาร์บอนไดออกไซด์มาแลกเปลี่ยนที่แผงท่อลมนี้แล้วรับออกซิเจน  จึงเรียกโครงสร้างที่ใช้ในการแลกเปลี่ยนแก๊สของแมงมุมว่า ปอดแผง  (book  lung)

              สัตว์น้ำจะได้เปรียบสัตว์บกตรงที่บริเวณแลกเปลี่ยนแก๊สมีความชุ่มชื้นอยู่เสมอเนื่องจากสัมผัสกับน้ำโดยตรง  แต่มีข้อเสียเปรียบคือ  ในน้ำมีปริมาณแก๊สออกซิเจนละลายอยู่น้อยมากคือประมาณร้อยละ 0.5  เมื่อเปรียบเทียบกับปริมาณแก๊สออกซิเจนในอากาศ  ซึ่งมีถึงร้อยละ 21  และแก๊สออกซิเจนยังแพร่ในน้ำได้ช้ากว่าในอากาศประมาณ 1,000  เท่า  ถ้าอุณหภูมิของน้ำสูงขึ้นก็ยิ่งจะมีแก๊สออกซิเจนละลายในน้ำได้น้อยลง  แต่สัตว์น้ำก็สามารถรับแก๊สออกซิเจนได้เพียงพอต่อความต้องการ  เนื่องจากมีการจัดเรียงเนื้อเยื่อของอวัยวะที่ใช้แลกเปลี่ยนแก๊ส  เช่น  เหงือกของปลาและกุ้งจะมีลักษณะเป็นซี่ๆ  เรียงกันเป็นแผง  แต่ละซี่จะมีขนาดเล็กมากประกอบด้วยเซลล์ที่เรียงตัวเป็นชั้นบางๆ  ห่อหุ้มเลือกฝอยทำให้แก๊สสามารถแพร่ผ่านเข้าไปได้ง่าย

               ถ้านักเรียนสังเกตปลาที่กำลังว่ายน้ำหรือลอยตัวอยู่นิ่งๆ  จะพบว่าแผ่นกระดูกปิดเหงือกหรือแผ่นแก้มของปลาจะเคลื่อนไหวอยู่ตลอดเวลา  โดยการเคลื่อนไหวจะเป็นจังหวะพอดีกับการอ้าปากและหุบปากของปลาด้วย  การทำงานที่สัมพันธ์กันเช่นนี้ทำให้น้ำ  ซึ่งมีแก๊สออกซิเจนละลายอยู่เข้าทางปากแล้วผ่านออกทางเหงือกตลอดเวลา   และแก๊สออกซิเจนจะแพร่ผ่านเข้าสู่หลอดเลือดฝอยที่เหงือก  แล้วหมุนเวียนไปตามระบบหมุนเวียนเลือดต่อไป  ดังภาพที่ 6-6

ภาพที่ 6-6 ลักษณะของเหงือกปลา

ภาพที่ 6-7โครงสร้างที่ใช้แลกเปลี่ยนแก๊สของนก

                 จากภาพที่ 6-7  นักเรียนจะเห็นว่าปอดของนกมีท่อเชื่อต่อกับถุงลมซึ่งมีถึง  9  ถุง ลักษณะเช่นนี้มีประโยชน์ต่อการดำรงชีวิตของนกอย่างไร  นกมีปอดที่เจริญดีทำให้สามารถแลกเปลี่ยนแก๊สได้ดีและนำแก๊สออกซิเจนที่ได้ไปใช้ในการสลายสารอาหารเพื่อให้ได้พลังงานสำหรับใช้ในกิจกรรมต่างๆ เช่น  ใช้ในการบินซึ่งเป็นกิจกรรมที่ต้องใช้พลังงานมาก  การที่นกมีถุงลมเชื่อมต่อกับปอดนั้นก็เพื่อสำรองอากาศไว้ใช้ขณะบิน  โดยอากาศที่หายใจเข้าแต่ละครั้งจะผ่านถุงลมส่วนหน้าก่อนเข้าสู่ปอดและถุงลมส่วนหลัง  ดังนั้นในแต่ละรอบของการหายใจ  นกจะต้องมีการหายใจเข้าและออก  2  ครั้ง

             สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม  มีปอดเป็นโครงสร้างที่ใช้ในการแลกเปลี่ยนแก๊สอยู่ภายในร่างกาย 

         6.1.2 โครงสร้างที่ใช้ในการแลกเปลี่ยนแก๊สของคน

                      อากาศเข้าสู่ปอดโดยเริ่มเข้าที่ช่องจมูก  แล้วเข้าสู่บริเวณโพรงจมูกซึ่งมีเยื่อบุผิวที่มีซิเลียและเมือกสำหรับดักจับสิ่งสกปรกไว้  อากาศจะเคลื่อนที่ต่อไปยังคอหอยลงสู่กล่องเสียง  ซึ่งภายในมี  สายเสียง (vocal cord)  จากนั้นอากาศจึงเข้าสู่หลอดลม  ปลายสุดของหลอดลมแยกออกเป็นขั้วปอดแยกไปสู่ปอดซ้ายและขวาทั้ง  2  ข้างซึ่งจะแตกแขนงเล็กลงเรื่อยๆ  เรียกว่า  หลอดลมฝอย (bronchiole)   ผนังของหลอดลมฝอยจะบางลงตามลำดับ   ปลายสุดของหลอดสมฝอยเป็นถุงขนาดเล็ก   และหลอดลมฝอยส่วนต้นประกอบด้วยกระดูกอ่อน   เพื่อป้องกันการแฟบจากแรงกดของเนื้อเยื่อบริเวณรอบๆ   ดังภาพที่6-8

ภาพที่ 6-8  ก.  ส่วนต่างๆของทางเดินหายใจ ,  ข.ถุงลม

              ผนังด้านในของหลอดลมบุด้วยเซลล์บุผิวที่มีซิเลียและเซลล์ซึ่งทำหน้าที่สร้างเมือกเพื่อคอยดักจับสิ่งสกปรกไม่ให้เข้าไปถึงถุงลม   เมื่ออากาศเข้าสู่ถุงลมซึ่งมีหลอดเลือดฝอยห่อหุ้มอยู่โดยรอบบริเวณนี้จะมีการแลกเปลี่ยนแก๊สเกิดขึ้นเป็นตำแหน่งแรก  โดยแก๊สออกซิเจนจากถุงลมจะแพร่เข้าสู่หลอดเลือดฝอย  และแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์จากหลอดเลือดฝอยจะแพร่เข้าสู่ถุงลม   

การสูดลมหายใจ

              เพื่อรักษาดุลยภาพของแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์และแก๊สออกซิเจนในร่างกายคน  จึงมีการสูดลมหายใจเข้าและลมหายใจออกตลอดเวลา  แสดงว่าความดันของอากาศภายในปอดมีการเปลี่ยนแปลง  ในการหายใจเข้าและการหายใจออกเกิดจากการเปลี่ยนแปลงความดันของอากาศภายในปอด  โดยการทำงานร่วมกันของกล้ามเนื้อกะบังลม  และกล้ามเนื้อที่ยึดกระดูกซี่โครงแถบนอก  ดังภาพที่ 6-9 ขณะที่กล้ามเนื้อหน้าท้องคลายตัว  ทำให้อากาศภายในช่องท้องลดความดันลงพร้อมๆ  กับกล้ามเนื้อหะบังลมหดตัว  กะบังลมจะเคลื่อนต่ำลง  ขณะที่กล้ามเนื้อของกระดูกซี่โครงแถบนอกหดตัว  กระดูกซี่โครงยกสูงขึ้น   ปริมาตรในช่องออกเพิ่มขึ้น  ปอดที่มีเนื้อเยื่อยืดหยุ่นได้ก็จะขยายมากขึ้น  ความดันของอากาศภายในปอดลดลง  อากาศภายนอกจะไหลเข้าสู่ปอด  ทำให้เกิดการหายใจเข้า   ดังภาพที่ 6-9 ก.  และเมื่อกล้ามเนื้อหน้าท้องหดตัว  ทำให้อากาศภายในช่องท้องมีความดันมากขึ้นพร้อมๆ  กับกล้ามเนื้อกะบังลมคลายตัว  กะบังลมโค้งขึ้น  หรือเคลื่อนที่ขึ้นด้านบนมากขึ้น  ในขณะเดียวกันกล้ามเนื้อแถบนอกของกระดูกซี่โครงคลายตัว  ทำให้กระดูกซี่โครงลดต่ำลง  ปริมาตรของอากาศภายในช่องอกลดลง  ส่งผลให้ปริมาตรของอากาศในปอดลดลง  ความดันอากาศในปอดจะมีมากกว่าความดันอากาศภายนอก  อากาศจะเคลื่อนจากปอดสู่ภายนอก  ทำให้เกิดการหายใจออก  ดังภาพที่ 6-9 ข.

ภาพที่ 6-9  การเปลี่ยนแปลงปริมาตรของทรวงอกขณะหายใจเข้าและหายใจออก
ก.  หายใจเข้า  , ข .หายใจออก

การแลกเปลี่ยนแก๊ส
              การแลกเปลี่ยนแก๊สในร่างกายของคนเกิดขึ้น 2 แห่ง  คือที่ปอดและที่เซลล์ของเนื้อเยื่อต่างๆ  ที่ปอดเป็นการแลกเปลี่ยนแก๊สระหว่างถุงลมกับหลอดเลือดฝอย  โดยแก๊สออกซิเจนจากถุงลมจะแพร่เข้าสู่หลอดเลือดฝอยรอบๆถุงลม  และจับกับฮีโมโกลบิน  (hemoglobin :  Hb)  ในเซลล์เม็ดเลือดแดงกลายเป็นออกซีฮีโมโกลบิน  (oxyhemoglobin  )  ซึ่งมีสีแดงสด  เลือดที่มีออกซีฮีโมโกลบินนี้จะถูกส่งเข้าสู่หัวใจและสูบฉีดไปยังเนื้อเยื่อส่วนต่างๆทั่วร่างกาย   ที่เนื้อเยื่อออกซีฮีโมโกลบินจะเปลี่ยนเป็นออกซิเจน  และฮีโมโกลบิน  แก๊สออกซิเจนจะแพร่เข้าสู่เซลล์ทำให้เซลล์ของเนื้อเยื่อได้รับแก๊สออกซิเจน  ดังสมการ

              ขณะที่เซลล์ของเนื้อเยื่อรับแก๊สออกซิเจนนั้น  แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์  ที่เกิดขึ้นในเซลล์จะแพร่เข้าสู่หลอดเลือดฝอย  แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ส่วนใหญ่จะทำปฏิกิริยากับน้ำในเซลล์เม็ดเลือดแดง  เกิดเป็นกรดคาร์บอนิก  ซึ่งจะแตกตัวได้ไฮโดรเจนไอออนและไฮโดรเจนคาร์บอเนตไอออน  ซึ่งจะถูกลำเลียงออกสู่พลาสมาโดยวิธีการแพร่

ภาพที่ 6-11 การแลกเปลี่ยนแก๊สกับการลำเลียงแก๊ส

              เมื่อเลือดที่มีไฮโดรเจนคาร์บอเนตไอออน  และไฮโดรเจนไอออนมากไหลเข้าสู่หัวใจ  เลือดจะถูกสูบฉีดต่อไปยังหลอดเลือดฝอยรอบถุงลม  ไฮโดรเจนคาร์บอเนตไอออนและไฮโดรเจนไอออนจะรวมตัวกันเป็นกรดคาร์บอนิกแล้วจึงสลายตัวเป็นคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำในเซลล์เม็ดเลือดแดง  เป็นผลให้ความหนาแน่นของคาร์บอนไดออกไซด์ในหลอดเลือดฝอยสูงกว่าคาร์บอนไดออกไซด์ในถุงลม  จึงเกิดการแพร่ของคาร์บอนไดออกไซด์จากหลอดเลือดฝอยเข้าสู่ถุงลม  ดังสมการ

                  ไฮโดรเจนไอออนนี้ถ้ามีมากจะทำให้น้ำเลือดหรือพลาสมามีค่า pH  ต่ำ  คือมีความเป็นกรดสูง  นักเรียนทราบมาแล้วว่าโดยปกติเซลล์ในร่างกายจะทำงานได้ก็ต่อเมื่อ  มีค่า  pH  ใกล้กับ  7  หรือมีสภาวะค่อนข้างเป็นกลาง  เซลล์จึงพยายามรักษาสภาพความเป็นกรด - เบส ภายในเซลล์ให้คงที่  ถ้าแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ ในเลือดไม่สามารถลำเลียงไปสู่ปอดได้เพียงพอ  ปริมาณไฮโดรเจนในหลอดเลือดจะสูงขึ้นจะทำให้ค่า pH  ต่ำมาก  คือมีความเป็นกรดสูงขึ้นทำให้มีอันตรายต่อเซลล์ได้  แต่โดยทั่วไป  ไฮโดรเจนไอออนสามารถจะไปรวมกับสารอินทรีย์อื่นๆ  ในร่างกายได้อีกหลายชนิด  เป็นการควบคุมดุลยภาพของร่างกายอย่างหนึ่ง  คาร์บอนมอนอกไซด์ออกมาง่ายๆ  นักเรียนคิดว่าจะเกิดผลอย่างไรถ้าร่างกายได้รับคาร์บอนมานอกไซด์เป็นปริมาณมาก มีผู้ศึกษาความหนาแน่นของแก๊สออกซิเจนและแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศและในส่วนต่างๆของร่างกาย  พบว่าเป็นดังภาพที่ 6-12

ภาพที่ 6-12  แผนภาพแสดงความหนาแน่นของแก๊สในบรรยากาศและในส่วนต่างๆของร่างกาย
           ก.  ความหนาแน่นของออกซิเจน      , ข .  ความหนาแน่นของคาร์บอนไดออกไซด์

 การควบคุมการหายใจ
              นักเรียนสามารถบังคับการหายใจของตนเองได้หรือไม่  บางครั้งนักเรียนอาจจะบังคับลมหายใจโดยการกลั้นหายใจ  หรือหายใจยางและลึกได้  แต่จะสามารถควบคุมได้ในระดับหนึ่งเท่านั้น  การหายใจจะสัมพันธ์กับการรักษาสภาวะสมดุลของร่างกาย  กลไกควบคุมการหายใจจะเกี่ยวข้องกับระบบประสาทโดยมีการควบคุม 2 ส่วนคือ
              1.  การควบคุมแบบอัตโนวัติ  ซึ่งเป็นการหายใจที่ไม่สามารถบังคับได้  โดยสมองส่วนพอนส์และเมดัลลาเป็นตัวสร้างและส่งสัญญาณประสาทไปกระตุ้นกล้ามเนื้อที่เกี่ยวข้องกับการหายใจ  ทำให้การหายใจเข้า-ออก  เกิดขึ้นได้อย่างเป็นจังหวะสม่ำเสมอทั้งในยามหลับและยามตื่น  โดยไม่จำเป็นต้องพะวงกับการสั่งการให้มีการหายใจ
              2.  การควบคุมภายใต้อำนาจจิตใจ  ซึ่งเป็นการหายใจที่สามารถบังคับได้  โดยสมองส่วนหน้าส่วนที่เรียกว่า  ซีรีบรัลคอร์เทกซ์ไฮโพทาลามัส  แลพสมองส่วนหลังส่วนที่เรียกว่า  ซีรีเบลลัม  ซึ่งจะทำให้เราสามารถควบคุม  บังคับ  หรือปรับการหายใจให้เหมาะสมกับพฤติกรรมต่างๆของร่างกาย  เช่น การพูด  การร้องเพลง  การเล่นเครื่องดนตรีประเภทเป่า  การว่ายน้ำ  การดำน้ำ  หรือการกลั้นหายใจได้ 

ภาพที่ 6-13  ศูนย์ควบคุมการหายใจ
ความผิดเปกติที่เกี่ยวข้องกับปอด
             โรคที่เกิดขึ้นในระบบทางเดินหายใจ  เช่น  โรคปอดบวม  (pneumonia)  ซึ่งเกิดจากเชื้อแบคทีเรีย  หรือไวรัสเข้าไปในหลอดลมและเข้าสู่เนื้อเยื่อปอด  ทำให้เกิดการอักเสบ  ยังผลให้พื้นที่ผิวในการแลกเปลี่ยนแก๊สลดลง  อีกโรคหนึ่งคือ  โรคถุงลมโป่งพอง  (emphysema)  ซึ่งเกิดจาก  การสูดอากาศที่เป็นพิษ  เช่น  ควันบุหรี่  ควันจากโรงงาน   ควันจากท่อไอเสียรถยนต์  เป็นเวลานานๆ  หรือบางรายอาจเกิดจากการติดเชื้อ  ผู้ที่เป็นโรคถุงลมโป่งพองจะมีความผิดปกติที่ถุงลม  คือสารหล่อลื่นความยืดหยุ่นของผนังถุงลม  และหลอดลมฝอยถูกทำลายทำให้ความสามารถในการนำเอาอากาศเข้าปอด  และแลกเปลี่ยนแก๊สลดลงและในบางโอกาสผนังของถุงลม  อาจจะถูกทำลายทำให้ถุงลมทะลุถึงกันเกิดเป็นถุงขนาดโตขึ้น  ทำให้มีพื้นที่ผิวสำหรับแลกเปลี่ยนแก๊สลดลง  ผู้ป่วยจึงต้องเพิ่มการสูดลมหายใจ  ทำให้เกิดการเหนื่อยหอบหายใจไม่เต็มปอด  แก๊สออกซิเจนไปเลี้ยงอวัยวะต่างๆ  ลดลง  หัวใจทำงานหนักขึ้นจนอาจมีอาการหัวใจวายได้
               นอกจากนี้ยังมีโรคภูมิแพ้ซึ่งเกิดจากการได้รับสิ่งกระตุ้น  เช่นเกสรดอกไม้  ฝุ่น  ควันบุหรี่  อากาศที่เปลี่ยนแปลง  สารเคมี  สิ่งเหล่านี้ทำให้ร่างกายมีการตอบสนองมีผลทำให้เกิดการหดเกร็งของกล้ามเนื้อหลอดลม  เป็นเหตุให้หลอดลมตีบกว่าปกติจนผู้ป่วยเกิดอาหารหอบหืดหายใจไม่สะดวก  หรือหายใจไม่ทันและอาจเสียชีวิตได้ในที่สุด

ภาพที่ 6-14  ปอดของคน
ก.  ปอดของคนปกติ   ข.  ปอดของคนที่สูบบุหรี่

การวัดอัตราการหายใจ

                 การหายใจเข้าและหายใจออกของคนเกี่ยวข้องกับ  เมแทบอลิซึมของร่างกาย  ซึ่งเป็นผลมาจากเมแทบอลิซึมของเซลล์ถ้าร่างกายมีอัตราการหายใจสูงแสดงว่าเซลล์ต่างๆ  ของร่างกายใช้พลังงานมาก  นั่นหมายถึงร่างกายมีอัตราเมแทบอลิซึมสูง  แต่การวัดอัตราเมแทบอลิซึมโดยตรงนั้นทำได้ยากจึงเปลี่ยนเป็นการวัดอัตราการใช้ออกซิเจนแทน  โดยถือว่าเซลล์หรือร่างกายที่มีอัตราเมแทบอลิซึมสูงจะมีอัตราการนำออกซิเจนเข้าสูงด้วย