מערכת הנשימה באדם

השיעור עוסק בחילוף הגזים בין הגוף לסביבה: קליטת חמצן הדרוש לנשימה התאית ופליטת פחמן דו־חמצני הנוצר ממנה. הרעיון המרכזי הוא התאמה בין מבנה לתפקוד: דרכי האוויר מכינות את האוויר, הנאדיות מאפשרות חילוף גזים יעיל, והשרירים ומנגנון הבקרה שומרים על אוורור רציף ועל הומיאוסטזיס.

מסלול האוויר: אף, לוע, קנה, סימפונות, ריאות

האוויר נכנס אל חלל האף. שם הוא מסונן בעזרת שערות וריר, מתחמם לטמפרטורת הגוף בעזרת נימי דם רבים, ונעשה לח. הכנה זו חשובה משום שדופן הנאדיות עדינה, וחילוף גזים יעיל דורש אוויר לח ונקי.

מהאף עובר האוויר אל הלוע, שהוא מעבר משותף לאוויר ולמזון, ומשם אל קנה הנשימה. קנה הנשימה נתמך בטבעות סחוס המקנות לו יציבות ומונעות את קריסתו, ולכן מעבר האוויר נשאר פתוח ורציף. הקנה מסתעף לשני סימפונות, הנכנסים לריאות ומסתעפים שוב ושוב לצינורות דקים יותר, עד לנאדיות הריאה.

לאורך דרכי הנשימה מרפדים את הדופן תאי אפיתל בעלי ריסים ותאים מפרישי ריר. הריר לוכד חלקיקים זרים ומיקרואורגניזמים, ותנועת הריסים דוחפת אותם כלפי מעלה אל הלוע. כך מוגנת מערכת הנשימה מחדירת גורמים מזיקים.

הנאדיות הן שקיקים זעירים בקצה דרכי הנשימה, ובהן מתבצע חילוף הגזים. מבנן מותאם לתפקודן: הן רבות וקטנות, ולכן שטח הפנים הכולל שלהן גדול; דופן הנאדית חד־שכבתית ודקה, ולכן מרחק הדיפוזיה קצר; סביב כל נאדית יש רשת צפופה של נימי דם, ולכן נשמר מפל ריכוזים בין האוויר לדם; ודופן הנאדיות לחה, תנאי המאפשר המסת גזים ומעברם. חמצן עובר בדיפוזיה מחלל הנאדית אל הדם, ופחמן דו־חמצני עובר בדיפוזיה מהדם אל חלל הנאדית.

מבנה הריאות: סרעפת, קרום האדר, צלעות

הריאות נמצאות בתוך בית החזה. הצלעות ועצם החזה מגנות עליהן, ובין הצלעות מתוחים שרירים בין־צלעיים, המסוגלים לשנות את נפח בית החזה. הסרעפת היא שריר רחב ושטוח החוצץ בין בית החזה לחלל הבטן. כאשר הסרעפת מתכווצת, היא משתטחת ומגדילה את נפח בית החזה כלפי מטה.

קרום האדר (פלאורה) הוא קרום כפול העוטף כל ריאה ומצפה גם את דופן בית החזה. בין שתי שכבות הקרום יש נוזל דק, היוצר הצמדה בין הריאה לדופן בית החזה ומאפשר החלקה בזמן התנועה. בזכות ההצמדה הזאת, כאשר בית החזה מתרחב, מתרחבות גם הריאות. חלל בית החזה הסגור מאפשר יצירת לחץ נמוך בריאות בעת התרחבות בית החזה, ולכן אוויר יכול להיכנס אליהן בשאיפה.

מיקום הריאות בתוך הגוף מגן עליהן מפני פגיעה ומסייע בשמירה על סביבה לחה, הדרושה לחילוף גזים תקין.

אוורור הריאות: שאיפה ונשיפה, תפקיד הסרעפת והשרירים

אוורור הריאות הוא החלפת האוויר שבריאות באוויר מהסביבה. האוויר זורם מאזור שבו הלחץ גבוה לאזור שבו הלחץ נמוך, ולכן האוורור מתבצע בעזרת שינויים בנפח בית החזה ובלחץ שבריאות.

בשאיפה מתכווצים שריר הסרעפת והשרירים הבין־צלעיים. הסרעפת יורדת ומשתטחת, הצלעות מתרוממות ונעות מעט החוצה, ונפח בית החזה גדל. בעקבות זאת מתרחבות הריאות, הלחץ בתוכן יורד מתחת ללחץ האטמוספרי, ואוויר נכנס אליהן. השאיפה היא תהליך אקטיבי, הדורש השקעת אנרגיה בהתכווצות השרירים.

בנשיפה רגילה השרירים מתרפים. הסרעפת עולה חזרה כלפי מעלה, הצלעות יורדות, ונפח בית החזה קטן. הריאות מתכווצות בזכות גמישותן, הלחץ בתוכן עולה מעל הלחץ האטמוספרי, והאוויר יוצא החוצה. נשיפה רגילה היא תהליך פסיבי יחסית.

יש להבחין בין אוורור לבין חילוף גזים. אוורור הוא תנועת אוויר פנימה והחוצה בעזרת הפרשי לחצים, ואילו חילוף גזים הוא מעבר חמצן ופחמן דו־חמצני בדיפוזיה לפי מפל ריכוזים.

בקרה על הנשימה: רגישות לריכוז פחמן דו־חמצני בדם

קצב הנשימה ועומקה מווסתים על ידי מרכז הנשימה במוח. זהו מנגנון בקרה שלילית השומר על הומיאוסטזיס: כאשר יש סטייה מהמצב התקין, הגוף מגיב ומחזיר את המצב לתחומו. הגורם המרכזי המשפיע על קצב הנשימה הוא ריכוז הפחמן הדו־חמצני בדם, ולא ריכוז החמצן.

בזמן מאמץ גופני עולה קצב הנשימה התאית בשרירים, ולכן נוצר יותר פחמן דו־חמצני. ריכוזו בדם עולה, וחיישנים הרגישים לשינוי מעבירים מידע אל מרכז הנשימה. מרכז הנשימה מגביר את תדירות הנשימה ואת עומקה, וכך נפלט יותר פחמן דו־חמצני בנשיפה ונקלט יותר חמצן.

כתוצאה מכך יורד ריכוז הפחמן הדו־חמצני בדם וחוזר לערכו התקין. כאשר ריכוז הפחמן הדו־חמצני נמוך מהרגיל, קצב הנשימה יורד. בזמן מאמץ עשוי לעלות גם קצב הלב, כדי להאיץ את הובלת הגזים בדם.

נשימה תאית: הפקת אנרגיה, חמצן ופחמן דו־חמצני

נשימה תאית היא תהליך שבו התא מפרק חומרי מזון אורגניים, בעיקר גלוקוז, בנוכחות חמצן, ומפיק אנרגיה. האנרגיה נאגרת בתרכובת ATP, המשמשת לפעילויות התא. התהליך מתרחש ברובו במיטוכונדריה, ותוצריו הם פחמן דו־חמצני ומים. לכן החמצן הנקלט בריאות דרוש לתאים, והפחמן הדו־חמצני הנוצר בתאים חייב להיפלט מהגוף.

ביצורים רב־תאיים גדולים אין די בדיפוזיה ישירה מהסביבה אל כל התאים, משום שיחס שטח הפנים לנפח קטן והמרחק בין הסביבה לתאים הפנימיים גדול. לכן נדרש שיתוף פעולה בין מערכת הנשימה למערכת ההובלה.

חמצן עובר מהנאדיות אל נימי הדם, נקשר בעיקר להמוגלובין שבתאי הדם האדומים, ומועבר דרך ורידי הריאה אל הלב. מהלב הוא מוזרם בעורקים אל תאי הגוף. פחמן דו־חמצני עובר מתאי הגוף אל נימי הדם, מובל בוורידים אל הלב, ומשם מגיע דרך עורקי הריאה אל הריאות ונפלט החוצה.

עורק מוביל דם מהלב, ווריד מוביל דם אל הלב. לכן עורק הריאה מוביל דם עני בחמצן אל הריאות, אף שהוא נקרא עורק.

השפעת זיהום אוויר ועישון על מערכת הנשימה

עישון פוגע במערכת הנשימה במספר דרכים. חומרי הזפת וחלקיקים שבעשן פוגעים בריסים של תאי האפיתל ומשתקים את תנועתם. כתוצאה מכך ריר וחלקיקים זרים אינם מסולקים ביעילות ומצטברים בדרכי הנשימה, דבר המגביר את הסיכון לדלקות ולזיהומים.

העשן גם עלול לפגוע בדפנות הנאדיות ולגרום להרסן או לאיחודן. כאשר נאדיות רבות וקטנות הופכות לחללי אוויר גדולים, שטח הפנים לחילוף גזים קטן, ויעילות חילוף הגזים יורדת.

בנוסף, בעשן הסיגריות יש פחמן חד־חמצני (CO). גז זה נקשר להמוגלובין בחוזקה רבה יותר מזו של החמצן, ולכן כמות החמצן שהדם יכול להוביל קטנה. כדי לפצות על כך, קצב הנשימה וקצב הלב עולים, אך הפיצוי אינו מחזיר את התפקוד התקין.

זיהום אוויר מגורמים כגון חלקיקים נשימים, תחמוצות גופרית ותחמוצות חנקן מגרה את דרכי הנשימה. הגירוי עלול לגרום לדלקת, להיצרות הסימפונות, לעלייה בהפרשת ריר ולפגיעה ברקמת הריאה. חשיפה ממושכת לזיהום אוויר קשורה למחלות ריאה כרוניות ולהחמרת תסמיני אסתמה, והיא פוגעת ביכולת הגוף לבצע חילוף גזים יעיל.