الجهاز التنفسي: التركيب والوظيفة وبعض مشكلاته

كيف يصل الأكسجين من الهواء إلى دمك؟

يتكوّن الجهاز التنفسي من أعضاء وتراكيب مرتبطة بها تسمح للأكسجين بالانتقال من الهواء الجوي إلى الدم.

• ثاني أكسيد الكربون: تسمح هذه التراكيب له بالانتقال من الدم إلى الهواء.
• مسار الهواء: يدخل من الأنف أو الفم، ثم القصبة الهوائية، فالشعبتين الهوائيتين.
• ثم الشعيبات الهوائية التي تتفرّع إلى شعيبات أصغر منها تنتهي بالحويصلات الهوائية.

الفكرة الرئيسة: ما وظيفة الجهاز التنفسي؟

يُسبّب الربو انقباض العضلات الملساء في الشعب الهوائية، ويعمل أحد الأدوية على انبساطها. أُوضّح كيف يساعد هذا الدواء المصابين بالربو على التنفس بسهولة أكثر.

وماذا يحمي هذا الأنبوب من الغبار والجراثيم؟

القصبة الهوائية: أنبوب مفتوح ومنظَّف

• التجويف: عريض نسبيًا، يظل مفتوحًا بسبب الغضاريف ⁦Cartilages⁩ الموجودة في جدرانها.
• الغضاريف على شكل حرف ⁦C⁩ تمنع التصاق جدران القصبة الهوائية.
• وتمنع توسّع تجويفها توسّعًا كبيرًا نتيجة تغيُّرات ضغط الهواء المفاجئة في أثناء التنفس السريع.
• الشعبتان الهوائيتان: تحتوي جدران الشعبتين الهوائيتين أيضًا على غضاريف.
• العضلات الملساء: انقباضها وانبساطها في جدران القصبة الهوائية والشعبتين الهوائيتين يغيّر قُطر التجويف في أثناء التنفس.
• انبساط هذه العضلات يؤدي إلى توسّع التجويف.
• ما يسمح بتدفّق كمية أكبر من الهواء.

• الشعبتان الهوائيتان: تتفرّع إلى شعيبات هوائية ⁦Bronchioles⁩ تنتهي بحويصلات هوائية ⁦Alveoli⁩.
• البطانة: خلايا طلائية على سطحها أهداب ⁦Ciliated Epithelial Cells⁩.
• تعمل مع المخاط الذي تُفرزه الخلايا الكأسية ⁦Goblet Cells⁩، وهي خلايا طلائية مُتخصّصة.
• وظيفتها التخلّص من الجسيمات الغريبة التي تدخل الجسم، مثل: الغبار، والبكتيريا، والفيروسات، وأبواغ الفطريات.
• آلية العمل:
• تتحرّك الأهداب لتحريك المخاط الذي تَعلق فيه الجسيمات الغريبة.
• ويُبتلَع عن طريق الحلق، ليصل إلى المعدة.
• ثم يتخلّص الجسم من كل ذلك بطرحه مع الفضلات الصُّلبة.

أبيّن كيف تعمل الأهداب مع المخاط الذي تُفرزه الخلايا الكأسية على التخلّص من الجسيمات الغريبة.

تؤدي إصابة الشخص ببعض الأمراض إلى إفرازه مخاطًا أكثر لزوجة من مخاط الشخص السليم. أتوقّع بعض المشكلات الناجمة عن ذلك.

الحويصلة: حيث يتبادل الدم الغازات

• الجدران: رقيقة جدًا، ولا تحتوي على غضروف أو عضلات ملساء.
• الألياف المرنة: تحوي جدرانها أليافًا مرنة من بروتين اسمه إيلاستين ⁦Elastin⁩.
• تساعد الحويصلات الهوائية على الاتساع بتمدّد جدرانها عند الشهيق.
• وتعود إلى حجمها الطبيعي عند الزفير.
• الشكل: سطوح الحويصلة مستديرة، واتساعها عند الشهيق يزيد مساحة السطح.
• يُسهِم ذلك في زيادة مساحة سطح تبادل الغازات.

• عوامل أخرى تزيد كفاءة الانتشار:
• جدران الحويصلات الهوائية الرقيقة.
• كثافة وجود الشعيرات الدموية على السطوح الخارجية للحويصلات الهوائية.
• جدران الأوعية الدموية الرقيقة التي تتيح تبادل الغازات بسهولة.

ما الحويصلات الهوائية، وماذا يحدث فيها بعملية الانتشار؟

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

أُوضّح تأثير الألياف المرنة في جدران الحويصلات الهوائية.

أتنبأ: لماذا يحدث تبادل الغازات بين الهواء والدم في الحويصلات الهوائية، ولا يحدث في القصبة الهوائية؟

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

اختبر نفسك على الجهاز التنفسي

أوضّح تلاؤم تركيب الحويصلة الهوائية: جدرانها الرقيقة، وأليافها المرنة، ووظيفتها في تبادل الغازات بعملية الانتشار.

يوجد ⁦3 × 10^13⁩ تقريبًا من خلايا الدم الحمراء في الجسم.

إذا كان متوسط إجمالي حجم الدم للأشخاص البالغين ⁦5 L⁩، فما عدد خلايا الدم الحمراء في ⁦1 cm³⁩ من الدم؟

يوجد ⁦3 × 10^13⁩ تقريبًا من خلايا الدم الحمراء في الجسم، ولكل خلية دم حمراء عمر مُحدّد بـ 120 يومًا قبل إزالتها من الدم.

فما عدد خلايا الدم الحمراء الجديدة التي يجب تصنيعها كل ثانية للحفاظ على العدد الإجمالي ثابتًا؟

كيف يتنقّل الغازان بين الرئتين والخلايا؟

• التبادل: يحدث للأكسجين وثاني أكسيد الكربون بين الحويصلات الهوائية والدم في الشعيرات الدموية المحيطة بها.
• ينقل الدم الأكسجين من الرئتين إلى خلايا الجسم.
• تتبادل خلايا الجسم والدم ثاني أكسيد الكربون والأكسجين.
• ثم يُنقل ثاني أكسيد الكربون من خلايا الجسم إلى الرئتين، ثم يُطرَح خارج الجسم.

الهيموغلوبين: ناقل الأكسجين

• في البلازما: ينتقل 2% فقط من الأكسجين وهو ذائب فيها.
• معظم الأكسجين: ينتقل معظمه عن طريق الهيموغلوبين.

• ذرة الحديد في مجموعة الهيم الواحدة: ترتبط بجزيء واحد من الأكسجين.
• جزيء الهيموغلوبين الواحد: يرتبط بأربعة جزيئات من الأكسجين لتكوين أكسيهيموغلوبين ⁦Oxyhemoglobin⁩.

• هذا الارتباط قابل للانعكاس.

متى يترك الهيموغلوبين الأكسجين؟

• مشبع 100%: إذا ارتبط جزيء الهيموغلوبين بأربعة جزيئات أكسجين.
• أقل إشباعًا: إذا ارتبط بعدد أقل من الجزيئات، فإن نسبة إشباعه تنخفض.
• في الأنسجة: الأكسجين قليل، فيتفكك الأكسيهيموغلوبين ويتحرر منه الأكسجين.

• الضغط الجزئي للأكسجين (Partial Pressure of Oxygen، $PO_{2}$): الضغط الناتج من غاز الأكسجين في خليط الغازات.
• تأثير بور ⁦(The Bohr Shift)⁩: تأثير الرقم الهيدروجيني في قدرة الهيموغلوبين على الارتباط بالأكسجين.

• تأثير بور في الأنسجة: عندما يزداد تركيز ثاني أكسيد الكربون ($CO_{2}$)، وتنخفض ⁦pH⁩، يزداد تفكك الأكسيهيموغلوبين كما في الأنسجة.

أتحقّق: أوضّح العوامل: الضغط الجزئي للأكسجين، وتأثير بور، ودرجة الحرارة في تفكك الأكسيهيموغلوبين.

أتحقّق: ما اسم مركب ارتباط ثاني أكسيد الكربون بالهيموغلوبين داخل خلايا الدم الحمراء، ومركب ارتباط الأكسجين به؟

ثاني أكسيد الكربون: ثلاث طرق إلى الرئتين

• ينتقل ثاني أكسيد الكربون من خلايا الجسم إلى الدم بثلاث حالات:
• الذوبان في البلازما ⁦(Dissolved in Plasma)⁩: يُنقل نحو 7% منه وهو ذائب في البلازما.
• الارتباط بالهيموغلوبين ⁦(Bounded to Hemoglobin)⁩: يُنقل ما نسبته 23% منه داخل خلايا الدم الحمراء.
• يُكوّن مركبًا يُسمى الكاربامينوهيموغلوبين ⁦(Carbaminohemoglobin)⁩.
• عند وصول الدم إلى الرئتين يتحرر 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-)⁩: يُنقل نحو 70% منه في صورتها في بلازما الدم.

كيف يتحوّل الغاز إلى أيونات في الدم؟

• الخطوة الأولى: يخرج ثاني أكسيد الكربون الذائب في سيتوسول الخلايا إلى السائل النسيجي ⁦(Tissue Fluid)⁩، ثم ينتشر في بلازما الدم.
• ثم يتحد مع الماء داخل خلايا الدم الحمراء مُكوّنًا حمض الكربونيك ($H_{2}CO_{3}$).
• الإنزيم: هذا التفاعل بطيء شديد، لكن خلايا الدم الحمراء تحوي إنزيم كربونيك أنهيدريز الذي يُحفزه ويُسرّعه كثيرًا.

• بعد ذلك يتفكك حمض الكربونيك ($H_{2}CO_{3}$)، فينتج أيونات الهيدروجين ⁦(H+)⁩، وأيونات الكربونات الهيدروجينية ⁦(HCO3-)⁩.

• الضرر: وجود أيونات الهيدروجين في سيتوسول خلايا الدم الحمراء يكوّن وسطًا حمضيًا يضرّ غالبًا بجسم الإنسان.
• الحل: للهيموغلوبين قدرة كبيرة على الارتباط بأيونات الهيدروجين؛ ما يُقلّل من ضررها.
• يعمل الهيموغلوبين بوصفه مُنظّمًا؛ إذ يحافظ على بقاء الرقم الهيدروجيني ⁦pH⁩ في خلايا الدم الحمراء ثابتًا نسبيًا، نتيجة ارتباط أيونات الهيدروجين به مُكوّنًا حمض الهيموغلوبينيك ⁦(HHb Haemoglobinic Acid)⁩.

• إزاحة أيونات الكلور ⁦(Chloride Shift)⁩: تخرج أيونات الكربونات الهيدروجينية ⁦(HCO3-)⁩ السالبة الشحنة من خلايا الدم الحمراء إلى بلازما الدم.
• ويدخل أيون واحد من الكلوريد ⁦(Cl-)⁩ مقابل كل أيون من أيونات الكربونات الهيدروجينية ⁦(HCO3-)⁩.
• وذلك للمحافظة على الاتزان الكهربائي على جانبي غشاء خلية الدم الحمراء.

• عند الرئتين: تنتشر أيونات الكربونات الهيدروجينية ⁦(HCO3-)⁩ من بلازما الدم إلى خلايا الدم الحمراء.
• ترتبط بأيونات الهيدروجين مُكوّنة حمض الكربونيك الذي يتفكك، فينتج ماء وثاني أكسيد الكربون.
• ثم ينتقل ثاني أكسيد الكربون إلى بلازما الدم، ومنها إلى الحويصلات الهوائية، ثم إلى خارج الجسم عن طريق هواء الزفير.

أكتب معادلة تفاعل ثاني أكسيد الكربون مع الماء، لتكوين أيونات الكربونات الهيدروجينية.

ما المقصود بكلٍّ من إزاحة الكلور، وتأثير بور؟

تجربة: رئتان بين يديك

• أُحدّد تركيب أجزاء الجهاز التنفسي ووظيفة كل جزء منها.
• أشرح عملية تبادل الغازات في الجسم.
• أصف بعض مشكلات الجهاز التنفسي.

ما الأوعية الدموية الرئيسة التي تدخل الرئتين، وتخرج منهما؟

أتوقع: ما التغيرات التي تطرأ على نسيج الرئتين عند إسقاطه في الماء؟

الإنفلونزا: عدوى تصيب الجهاز التنفسي

• الأعراض الشائعة:
• التهاب الحلق، وسيلان الأنف أو احتقانه.
• الحمى، والسعال، والصداع.
• آلام العضلات، والشعور بالتعب الشديد.
• الوقاية:
• غسل الأيدي باستمرار، وارتداء الكمامات في الأماكن المزدحمة.
• تغطية الأنف والفم عند السعال والعطس.
• يوصى بأخذ مطعوم الإنفلونزا السنوي.

سرطان الرئة: أسبابه وأعراضه

• من أسبابه الرئيسة: التدخين، والتعرّض للمواد الكيميائية، والعلاج الإشعاعي المستمر، وتلوّث الهواء.
• أعراض الإصابة: ألم في الصدر، وسعال مصحوب بالدم، وبحّة في الصوت، وصعوبة في التنفس.
• العلاج: يعتمد على الجراحة، والعلاج الكيميائي أو الإشعاعي.

السمنة: ماذا تقول الدراسة وماذا تفعل التكنولوجيا؟

• دراسة أردنية: أشارت إلى ارتفاع معدّلات السمنة في السنوات الأخيرة بالأردن، وازدياد معدّلاتها مع التقدّم في العمر، وبخاصة بين النساء.
• ارتباط السمنة بمشكلات صحية: مثل السكري من النوع الثاني، وارتفاع ضغط الدم، والكولسترول الضار، وتراكم الدهون الثلاثية على جدران الأوعية الدموية.