الجهاز التنفسي، هوالجهاز المسؤول عن تبادل الغازات في جميع أجزاء الجسم، حيث يقوم بتزويد خلايا الجسم بالأكسجين الضروري لأنشطتها ، ويخلصها من ثاني أكسيد الكربون. وتعد الرئتان العضوين الرئيسيين للتنفس، وهما هجريبان مرنان داخل تجويف الصدر. تحتوي جميع رئة على ملايين الأكياس أوالغرف الهوائية تسمى الأسناخ (الحويصلات الهوائية)، وتوجد شبكة من الأوعية الدقيقة تسمى الشعيرات الدموية بين جدران جميع حويصلة. وهناك هجريبات أخرى هامة للجهاز التنفسي، وهي جدار الصدر والحجاب الحاجز. يشتمل جدار الصدر على الضلوع التي تشكِّل قفصًا يحمي تجويف الصدر والعضلات التي بين الضلوع. ويتكون الحجاب الحاجز من ملاءة من العضلات على شكل قُبَّة تفصل بين تجويفي الصدر والبطن.

تعريف

التنفس هومجموعة العمليات الفيزيائية والكيميائية التي تؤدي إلى تحرير الطاقة الكيمياوية الموجودة في المادة الغذائية بأكسدة جزيئاتها العضوية.

والتنفس نوعان: تنفس يؤمن استخلاص الأكسجين من الوسط وطرح ثنائي أكسيد الكربون، ويسمى التنفس الخارجي أوالتبادل الغازي، وتنفس يتم على مستوى الخلايا سيعالج في مسقط آخر تحت عنوان التنفس الخلوي.

يتم التبادل الغازي بين الخلايا والوسط الخارجي، سواء كان هوائياً أومائياً، بوساطة جهاز خاص يسمى جهاز التنفس. ولكي تتأمن حركة غازي الأكسجين وثنائي أكسيد الكربون بين الوسط الخارجي والمتعضية، لابد من توفر سطوح تنفسية يتم تبادل هذين الغازين عبرها. ولكي يحدث هذا التبادل بفعالية، يجب حتى تحقق هذه السطوح التنفسية الصفات الآتية:

• النفوذية: إذ يجب حتى تكون هذه السطوح نفوذة بحيث تستطيع الغازات حتى تمر عبرها، وهذا يحتاج حتى تكون رطبة أيضاً.
• الرقة: يجب حتى تكون رقيقــة، لأن انتشار الغازات عبرها يحدث بكفاءة عبر مسافة لا تزيد على 1مم.
• الوسعة: يجب حتى تكون واسعة بحيث يجري تبادل كميات كبيرة من الغازات تفي بمتطلبات المتعضية.

وتحصل الحيوانات على الأكسجين إما مباشرة من الهواء الجوي في الحيوانات البرية، وإما من الأكسجين المنحل في الماء في الحيوانات المائية. فهناك فرق واضح في هجريز المحتوى الأكسجيني للهواء والماء، فوحدة الحجم من الهواء تحتوي على أكسجين أكثر بكثير مما يحتويه الحجم نفسه من الماء. وينتج من ذلك حتى متعضية مائية كالسمكة يجب حتى تُمَرِّر على سطح تبادلها الغازي كميات من الماء أكبر بكثير مما تمرره متعضية اليابسة، لكي تحصل على ما يكفيها من الأكسجين لسد حاجاتها الاستقلابية.

أنماط أعضاء التنفس

يتمتع سطح الجسم لدى بعض الحيوانات بخصائص الغشاء التنفسي، وهذه حالة الحيوانات الصغيرة أورقيقة الجسم. إلا حتى معظم الحيوانات يقتصر وجود هذا الغشاء على جزء من جسمها فيما يسمى جهاز التنفس. يميز من هذه الأجهزة: الغلاصم (الخياشيم)، والأسناخ الرئوية، والقصبات الهوائية.

فالغلاصم تعبير عن لواحق تمتد خارج الجسم بشكل صفائح أوخيوط غلصمية، إما حتى تظل خارج الجسم، كما في سمادل الماء، وإما حتى تكون محمية ضمن غرف غلصمية، كما في الأسماك.

أما الرئات فهي أكياس كبيرة نسبياً تمتد ضمن أجسام الحيوانات تظهر في بدايات أنبوبها الهضمي، يتوسع سطحها الداخلي غالباً بتشكل جيوب فرعية غزيرة تسمى الأسناخ الرئوية. في حين حتى القصبات الهوائية الموجودة لدى الحشرات، هي انخماصات أنبوبية تمتد إلى داخل الجسم أيضاَ، إلا أنها تختلف عن الرئات بعددها الكبير الذي ينتشر على طول الجسم، وعلى الجانبين، بحيث تصل فروعها إلى معظم خلايا الجسم.

وتوجد الأنماط الأربعة سابقة الذكر (التنفس الجلدي، والتنفس الغلصمي، والتنفس الرئوي، والتنفس القصبي) لدى الحيوانات المائية والبرية على السواء. إلا أنه يغلب وجود التنفس الجلدي والتنفس الغلصمي لدى الحيوانات المائية، في حين تعد القصبات والرئات من مزايا الحيوانات البرية.

الجهاز التنفسي في الفقاريات

تكونت رئات الفقاريات من جيوب تظهر في بداية أنبوب الهضم، تستعملها بعض الأسماك التي تعيش في مستنقعات الأوساط الاستوائية قليلة الأكسجين. أما الأسماك الأخرى فقد تحولت الرئات لديها، إلى كيس هوائي (مثانة هوائية) يقوم بدور مهم في التوازن في أثناء السباحة لدى الحيوان، لذا يطلق على هذا الكيس أيضاً اسم «الكيس السباحي»، الذي يحتوي على نسبة كبيرة من الأكسجين، الأمر الذي يجعله خزاناً احتياطياً يستعمله الحيوان حين تُقَصِّر الغلاصم في وظيفتها.

عند الثدييات

الحيوانات المائية

تتنفس الحيوانات المائية بالغلاصم التي توجد لدى شوكيات الجلد والقشريات والرخويات والأسماك وسمادل الماء من البرمائيات.

وتتألف الغلاصم لدى الأسماك، سواء كانت عظمية أوغضروفية، من أقواس غلصمية ترتكز عليها خيوط غلصمية، تتوضع عليها من الأعلى والأسفل صفائح أخرى ثانوية، يتم تبادل الغازات عبر سطوحها. ويلاحظ دوماً حتى جريان الدم في صفائح الغلاصم هوبعكس تيار الماء بين الصفائح. ولهذا الترتيب من «الجريان المتعاكس» أهميته، لأنه يوفر كفاءة أكبر في التبادل بين الوسطين الدموي والمائي، بعكس ما إذا كان التيار يتم بشكل متواز.

الحيوانات البرية

من مزايا الوسط البري وفرة الأكسجين فيه مقارنة مع الوسط المائي. إلا حتى الحياة على اليابسة تسبب للمتعضيات التي تعيش عليها معضلة تتمثل بإمكانية خسارة كميات كبيرة من ماء الجسم عبر السطوح التنفسية الرطبة الرقيقة النفوذة والغنية بالأوعية الدموية. لذا فإن معظم الحيوانات البرية كَيّفَت نفسها لتتلاءم مع الوسط البري، فطورت أجهزةً تنفسيةً خاصة تتمثل بالقصبات الهوائية والرئات التي تكون أغشيتها التنفسية عميقة ضمن الجسم بحيث تتوفر نسبة كبيرة من الرطوبة، مع أقل خسارة ممكنة من الماء، لتكون هذه الخسارة في حدودها الدنيا.

فالقصبات الهوائية منتشرة في مفصليات الأرجل البرية، وتُمَثِّل أحسن تكيف وظيفي للرد على وجود الهيكل الكيتيني الخارجي الكتيم حول جسمها. وهي تؤمن وصول الأكسجين إلى الخلايا مباشرة دون وساطة الدم. فهي انخماصات من جدار الجسم انغرست ضمن الأنسجة، لذا فإن لجدارها البنية العامة المعروفة لجدار الجسم، تمتد معها الطبقة الكيتينية، التي تبطنها من الداخل على شكل شريط حلزوني يساعد في بقاء القصبات مفتوحة دوماً.

تمتد بعض القصبات الهوائية لدى بعض المفصليات، فتشكل أكياساً هوائية تسهم، بانضغاطها واسترخائها، في عمليات التهوية لدى الحيوان.

أما فيما يتعلق بالرئات، فإنها توجد لدى الكثير من اللافقاريات البرية، كالحلازين الأرضية (الرئويات Pulmonata) وغيرها، في حين طورت العناكب والعقارب لنفسها أجهزة تنفسية من نمط رئوي أيضاً يسمى الرئات الخطية lung books، هي تعبير عن صفائح ورقيــة يصطف بعضــها إلى جانب بعض، يتم التبادل الغازي عبر جدارها.

عند الإنسان

• يتكون الجهاز التنفسي وظيفيا من :

1. الرئتين : وهما العضوان اللذان يتم بهما تبادل الغازات.
2. المضخة التي تضخ الهواء إلى الرئتين وتتألف من :   1.جدار الصدر   2.العضلات التنفسية التي تزيد وتنقص حجم الجوف الصدري    3.المناطق الدماغية التي تتحكم بهذه العضلات    4.السبل والأعصاب التي تربط بين هذه المناطق في الدماغ وتلك العضلات.

• ويمكن أيضا تقسيم الجهاز التنفسي عند الإنسان تشريحيا إلى :

1. الجهاز التنفسي العلوي (الطرق التنفسية العلوية) وتتألف من : 1.الأنف    2.الأعضاء الملحقة بجوف الأنف    3.البلعوم وهوطريق مشهجر لكل من الجهازين الهضمي والتنفسي.
2. الجهاز التنفسي السفلي (الطرق التنفسية السفلية) وتتألف من :  1.الحنجرة    2.الرغامى    3.القصبة    4.الرئة.

مقارنة بين التشريح ووظائف الأعضاء

الخيول

الأفيال

الطيور

يتعقد الأمر لدى الطيور بتكون تسعة أكياس هوائية، ممتدة بين العضلات والعظام، تسهم، إلى جانب عملها في المبادلات الغازية، في تخفيف وزن الحيوان وخفض وزنه النوعي ليساعده في الطيران وخفض درجة حرارة العضلات في أثناء ذلك.

الزواحف

البرمائيات

أما للبرمائيات فمراحلها اليرقانية تتنفس بوساطة الغلاصم، في حين تستعمل مراحلها البالغة (عدا السمادل) رئات مكونة من أكياس بسيطة تبرز في سطحها الداخلي انثناءات خفيفة، تزداد غزارتها في الزواحف. أما في الثدييات فقد ازدادت الانثناءات بشكل واسع مكونة أسناخاً رئوية تعطي الرئة بنية إسفنجية.

الأسماك

الحشرات

الرخويات

أهمية الجهاز التنفسي

إن للتنفس ما لنبض القلب ودوران الدم من أثر حيوي مباشر في الحفاظ على الحياة إذ إذا إمداد خلايا الجسم بالأكسجين إمداداً مستمراً غير منبتر أبداً له أهميته في قيام جميع خلية من خلايا الجسم بوظائفها.

إن توقف دورة الأكسجين في الجسم لمدة لا تتجاوز الدقائق المعدودة نتيجة للاختناق مثلاً توفي الإنسان إذ حتى مركز التنفس في المخ لن يعود إلى استئناف عملية التنفـس بعد توقفها، ولكن التنفـس الصناعي قد ينجح أحياناً - إذا لم تكن مدة ذلك التوقف قد تجاوزت حدودها المعقولة – في استعادة حركات التنفس الطبيعية واستمرار الحياة.

التهوية

التحكم

ينظم التنفس بواسطة مركز التنفس وهومجموعة من الخلايا العصبية في الدماغ. ترسل هذه الخلايا جميع عدَّة ثوان دفعاتٍ من المنبِّهات إلى العضلات الضالعة في عملية الشهيق. وتحدد هذه المنبهات معدل عملية التنفس وعمقها. وهناك مجموعة أخرى من الخلايا الخاصة تسمى المستقبلات الكيميائية تتحسس مستوى الأكسجين وثاني أكسيد الكربون في الدم والسائل الدماغي الشوكي المحيط بالدماغ. وتؤدي الزيادة أوالنقصان الطفيف في ثاني أكسيد الكربون إلى تغير في حموضة سوائل الجسم، ويؤثر هذا التغير على وظائف الجسم المتنوعة. وتُرسِل المستقبلات الكيميائية نبضاتٍ لمركز التنفس لإسراع أوإبطاء معدل التنفس. وبهذه الطريقة، تساعد هذه المستقبِلات على حفظ المستوى الطبيعي للأكسجين والحموضة في الجسم.

الشهيق

الشهيق هوعملية دخول الهواء من الجوالخارجي ثم يمر عبر القنوات الهوائية في الجهاز التنفسي حتى يصل إلى الأسناخ الرئوية (الحويصلات الهوائية) الموجودة في الرئتين. يمتاز هواء الشهيق بأنه غني بغاز الأكسجين ، فهماً حتى هذا الغاز تحتاجه الخلايا في التنفس الداخلي لانتاج أدينوسين ثلاثي الفوسفات. تعتبر عملية الشهيق معاكسة لعملية الزفير، وتعمل هاتان الآليتان معاً للحفاظ على الاتزان الداخلي للجسم.

عند حدوث الشهيق تنقبض عضلة الحجاب الحاجز دافعةً الرئتين للاتساع من الأعلى للأسفل، كما تنقبض عضلات الضلوع دافعةً الرئتين للاتساع من الأمام إلى الخلف، هاتان الحركتان تعملان معاً على زيادة حجم الرئتين فيقل ضغط الهواء فيهما، مما يؤدي لحدوث فرق بالضغط بين الضغط الجوي وضغط الهواء في الرئتين فيندفع الهواء نحوالرئتين.

الزفير

الزفير هوعملية خروج الهواء من الأسناخ الرئوية (الحويصلات الهوائية) الموجودة في الرئتين ثم يمر بالقنوات الهوائية الموجودة في الجهاز التنفسي وأخيراً إلى الجوالخارجي. يمتاز هواء الزفير بأنه غني بغاز ثاني أكسيد الكربون ، فهماً حتى هذا الغاز ينتج بعد حتى تطرده الخلايا في عملية التنفس الداخلي لانتاج أدينوسين ثلاثي الفوسفات .

تبادل الغازات

الغذاء

التحكم في درجة الحرارة

السعال والعطس

التطور في الحيوانات

الإنسان والثدييات

أمراض الجهاز التنفسي

يمكن تقسيم أمراض الجهاز التنفسي إلى أربعة أنواع:

• أمراض انسدادية (مثل انتفاخ الرئة، الالتهاب الشعبي، الربوالتحسسي).
• أمراض مقيدة (مثل تشمع الكبد، الساركويد، الأضرار النسخية، الانصباب الجنبي).
• أمراض الأوعية الدموية (مثل الوذمة الرئوية، الانصمام الرئوي، فرط ضغط الدم الرئوي)
• أمراض معدية، بيئية وأخرى (مثل الالتهاب الرئوي، السل، سحار اسبستي، ملوثات جسيمية)

النباتات

يتحرك الأكسجين وثاني أكسيد الكربون للداخل والخارج في جذور وسيقان النباتات الراقية من خلال طبقات الخلايا الخارجية، وعلى أيّ حال، يتم تبادل الغازات في النباتات من خلال فتحات صغيرة في الأوراق تُسمَّى الثغور.

تحصل خلايا النبات، مثل خلايا الحيوان، على الطاقة من خلال التفاعلات الكيميائية التي تؤدي إلى تكسير سكر العنب.كما تنتج النباتات الخضراء طاقة من خلال تنفسٍ عكسي عن طريق عملية تُسمَّى الهجريب الضوئي. وفي الهجريب الضوئي، يستخدم النبات طاقة الضوء لصنع سكر العنب، كما يسحب النبات ثاني أكسيد الكربون من البيئة وينتج الأكسجين كناتجٍ ثانوي. وتقوم بعض البكتيريا كذلك بعملية الهجريب الضوئي.

آلية التنفس

يتكون التنفس من عمليتي الشهيق (النفس للداخل) والزفير (النفس للخارج). أثناء الشهيق أوالاستنشاق يُسحَب الهواء من الجوإلى الرئتين، وفي الزفير يُطرد الهواء من الرئتين.

يتم الشهيق عندما ينقبض الحجاب الحاجز وعضلات جدار الصدر. وهويؤدي إلى زيادة طول وعرض القفص الصدري، الأمر الذي يؤدي إلى تمدُّد الرئتين. ويؤدي تمدد الرئتين إلى خفض قوة الشفط في الحويصلات فيُسحب الهواء النقي للرئتين. ويكوِّن الأكسجين نحو20% من حجم الهواء، أما المتبقي منه فهونيتروجين ونحو0,3% ثاني أكسيد الكربون.

يحدث الزفير عندما ينبسط الحجاب الحاجز والعضلات الأخرى لتسمح للرئتين بالانكماش. ويؤدي هذا الانكماش إلى زيادة ضغط الهواء في الحويصلات عن الضغط الجوىّ، ونتيجة لهذا يمر الهواء من الرئتين إلى الخارج. ويُكوِّن ثاني أكسيد الكربون نحوخمسة بالمائة والأكسجين نحو17 بالمائة من هذا الهواء.

وفي الحويصلات، يتم تبادل الأكسجين وثاني أكسيد الكربون بين الرئتين والدم من خلال الجدران الرقيقة للشعيرات الدموية. والدم الذي يدخل هذه الشعيرات به قليل من الأكسجين وكثيرٌ من ثاني أكسيد الكربون. ويمر الأكسجين الذي تم استنشاقه إلى الدم بينما يتحرك ثاني أكسيد الكربون من الدم إلى الحويصلات. وبين دورات التنفس، عندماقد يكون الجهاز التنفسي في حالة راحة، تظل الرئتان تحتويان على نصف هذا الهواء احتياطًا لاستمرار تبادل الأكسجين وثاني أكسيد الكربون بين دورات التنفس.

التحكم في التنفس

يُنظَّم التنفس بواسطة مركز التنفس وهومجموعة من الخلايا العصبية في الدماغ. ترسل هذه الخلايا جميع عدَّة ثوان دفعاتٍ من المنبِّهات إلى العضلات الضالعة في عملية الشهيق. وتحدد هذه المنبهات معدل عملية التنفس وعمقها. وهناك مجموعة أخرى من الخلايا الخاصة تسمى المستقبلات الكيميائية تتحسس مستوى الأكسجين وثاني أكسيد الكربون في الدم والسائل الدماغي الشوكي المحيط بالدماغ. وتؤدي الزيادة أوالنقصان الطفيف في ثاني أكسيد الكربون إلى تغير في حموضة سوائل الجسم، ويؤثر هذا التغير على وظائف الجسم المتنوعة. وتُرسِل المستقبلات الكيميائية نبضاتٍ لمركز التنفس لإسراع أوإبطاء معدل التنفس. وبهذه الطريقة، تساعد هذه المستقبِلات على حفظ المستوى الطبيعي للأكسجين والحموضة في الجسم.

التنفس الداخلي

يشير التنفس الداخلي إلى العملية التي يتم بوساطتها نقل الأكسجين لأنسجة الجسم وحمل ثاني أكسيد الكربون بعيدًا عنها. وتؤدي كريات الدم الحمراء الدور الأساسيّ في هذه العملية، حيث تحتوي على الهيموجلوبين (خضاب الدم)، وهوجزيء يستطيع حتى يحمل كميةً كبيرةً من الأكسجين.كما حتى كريات الدم الحمراء تحتوي على أنزيم الأنيدراز الكربوني الذي يساعد على تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى أيونات البيكربونات وهوشكل يسهل حمله بواسطة الدم.

تجمع كريات الدم الحمراء الأكسجين أثناء مرورها من خلال الرئتين. ويضخ القلب هذا الدم الغني بالأكسجين من خلال الشرايين إلى الشعيرات الموجودة بأنسجة الجسم. وهناك يخرج الأكسجين من خضاب الدم ويمر من خلال جدار الشعيرات إلى خلايا الأنسجة. وفي نفس الوقت، يدخل ثاني أكسيد الكربون الذي نتج من خلايا الأنسجة. ويساعد أنزيم الأنيدراز الكربوني على تحويل معظم ثاني أكسيد الكربون إلى أيونات البيكربونات. لكن معظم أيونات البيكربونات تهجر كريات الدم الحمراء وتُحمل بواسطة بلازما الدم. وما يتبقى من ثاني أكسيد الكربون الداخل للدم يرتبط مع جزيئات الخضاب أويبقى ذائبًا في البلازما. وحين يصل الدم إلى شعيرات الحويصلات، تنعكس هذه التفاعلات ويخرج ثاني أكسيد الكربون إلى الهواء الموجود بالحويصلات.

التنفس الخلوي

يضم التنفس في الخلايا مجموعةً من التفاعلات الكيميائية التي تحدث في وجود الأكسجين. وتُطلِق هذه التفاعلات الطاقة من المواد الغذائية وتجعلها متاحة، وبالتالي تستطيع هذه الخلايا حتى تقوم بوظيفتها. وتستطيع الخلايا حتى تحصل على بعض الطاقة بدون الأكسجين وذلك بطريقة كيميائية تسمى تحلل السُّكّر. يحوِّل تحلل السُّكّر جزيئات الجلوكوز (سكر العنب) ـ وهومن السكريات البسيطة ـ إلى جزيئات أصغر تُسمَّى حمض البيروفيك. وفي هذه العملية تنطلق الطاقة التي تختزن في مركب يُسمَّى ثالث فسفات الأدينوزين (ATP). وهومهمٌّ جدًا لأنه يمدّ الخلايا بالطاقة وإن كانت عملية تحلل السُّكّر تنتج كمية محدودة من مركب ATP.

تحتاج الخلايا إلى الأكسجين للحصول على كمياتٍ كبيرةً من مركب ATP. وعند وجود الأكسجين في الخلية، يُدخل حمض البيروفيك مجموعة من التفاعلات الكيميائية تُسمَّى دورة كريبس. انظر: كريبس، دورة. وأثناء المراحل المتنوعة لدورة كريبس يحدث احتجاز للطاقة لتمر إلى مجموعة أخرى من التفاعلات تُسمَّى سلسلة نقل الإكترون. ونتيجةً لهذه التفاعلات يتكون قدر كبير من الطاقة يختزن في شكل مركب ATP.

التنفس الخارجي في الحيوانات غير الرئوية

لكثير من الحيوانات التي تعيش في الماء ـ وتضم السمك والمحار ـ خياشيم لتبادل الأكسجين وثاني أكسيد الكربون مع بيئتها. وعندما يأتي الماء ويلامس الخياشيم، يتحرك الأكسجين بسهولة من الماء ويمر من خلال غشاء رقيق يفصل دم الحيوان عن الماء. وفي نفس الوقت، يمر ثاني أكسيد الكربون من الدم إلى الماء. وتأخذ الأسماك الماء للداخل من فمها وتدفعه للخارج عن طريق الخياشيم.

والحيوانات الأخرى التي ليس لها رئتان لديها كذلك طرق خاصة للتنفس، فدودة الأرض مثلاً تتنفس من خلال جلدها، حيث تمتلك جهازًا من الشعيرات الدموية تحت جلدها مباشرة. ويتم تبادل الأكسجين وثاني أكسيد الكربون بين الهواء الموجود بالتربة ودم الحيوان. وتمتلك الحشرات جهازًا من الأنابيب الهوائية الدقيقة ـ تُسمَّى الرغاميات (القصبات هوائية) ـ للتنفس. وتحمل هذه الأنابيب الهواء من البيئة مباشرةً إلى أجزاء الجسم المتنوعة.

وهناك حيوانات ـ مثل البرمائيات ـ تستخدم أكثر من عضوٍ للتنفس أثناء حياتها. فالضفدعة، مثلاً، تتنفس من خلال الخياشيم عندما تكون في طور أبي ذنيبة، أما الضفادع البالغة فتتنفس أساسًا بالرئتين،كما أنها تتبادل الغازات مع البيئة من خلال الجلد.

المصادر

المراجع

1. الدراسات الفهمية في فهم وظائف الأعضاء د. صبحي عمران شلش
2. جسم الإنسان د. إديث سبرول ترجمة د. عبد الحافظ حلمي محمد
3. فسيولوجيا جسم الإنسان د. حكمت عبد الكريم فريحات

هوامش

وصلات خارجية

• A high school level description of the respiratory system
• Introduction to Respiratory System
• Science aid: Respiratory System A simple guide for high school students
• The Respiratory System University level (Microsoft Word document)